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合肥研究院在新型熱電材料物理機制研究中獲進展

2020-10-16 合肥物质科學研究院
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  近日,中国科学院合肥物质科學研究院固体物理研究所研究员张永胜课题组在理论计算和解释新型热电材料(Pyrite型ZnSe2)的物理機制研究中取得新進展。該研究通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程,理論計算發現Pyrite型ZnSe2具有良好的熱電性質;基于對材料中原子成鍵情況和聲子振動性質的分析,解釋其具有低晶格熱導率的物理機制。相關研究結果以Localized dimers drive strong anharmonicity and low lattice thermal conductivity in ZnSe2爲題,發表在Physical Review B上。

  理解高性能熱電材料中的物理機制是尋找、設計和優化材料熱電性質的基礎。張永勝課題組已通過高通量方法發現Pyrite型ZnSe2是潛在高性能熱電材料,並發現其是由廣泛存在的廉價元素組成的立方晶體。然而,其中的物理機理並未得到詳細的分析研究。利用更精確的理論計算方法驗證該材料的良好熱電性能並解釋其中的物理機制,可以幫助拓展熱電材料的種類並豐富現有的熱電理論。

  研究中,張永勝研究員課題組通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程的方法詳細計算Pyrite型ZnSe2的熱學和電學輸運性質,並得到其在不同溫度和載流子濃度下的熱電性能。研究分析了Pyrite型ZnSe2中的原子成鍵情況和聲子振動性質,發現材料中存在著強共價鍵結合的局域Se-Se二聚體,且該二聚體的存在可以使得ZnSe2中Zn原子具有類rattling原子的性質,從而導致由Zn原子繞Se-Se二聚體旋轉所形成的低頻光學聲子具有非常強的非簡諧效應,這種強的非簡諧效應使該材料具有極低的晶格熱導率。在電子結構方面,研究發現ZnSe2的價帶頂和導帶底都具有複雜的費米面,這使其具有良好的電學性能。ZnSe2具有的極低晶格熱導率和良好電學輸運性質,使其在p型和n型摻雜下,使決定熱電材料性能的重要參數——熱電優值最大可以分別達到2.21和1.87。該研究表明可以通過尋找含有類似二聚體或三聚體局域結構的材料作爲潛在的新型高性能熱電材料,爲未來的實驗和理論研究提供指導和參考。

  研究工作得到國家自然科學基金的資助。

  論文链接 

圖1.Pyrite型ZnSe2的晶體結構和Se-Se二聚體上的局域電荷分布情況

圖2.ZnSe2在不同溫度和載流子濃度下ZT值

圖3.Zn原子繞Se-Se二聚體的旋轉對低頻光學聲子的貢獻情況

打印 責任編輯:侯茜

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