上海交大马杰课题组Nat. Commun.: ZrNiSn热电材料中的屏蔽效应
引言
基于塞贝克效应的热电材料可以实现热能与电能之间的相互转化，是提高能源利用率的一种有效手段。目前，热电材料研究的重心是热电优值，zT = a2sT/(kele + klat)，的优化，其核心问题是微观散射机制的调控，包括热输运和电输运。在电输运性质方面，声学声子和合金散射是两种常见的散射机制，其会随着载流子浓度的升高而被强化，从而导致载流子迁移率的降低（图1a）。与一般半导体热电材料不同，研究发现half-Heusler基热电材料中的载流子迁移率随载流子浓度呈现出先上升再降低的非线性行为，而且这个转折点正好对应着相应zT值的最优载流子浓度（图1b）。载流子迁移率的这种非线性行为意味着该材料体系中存在的其它之前被忽略的重要散射机制。而这些被忽略的散射机制是否与其它声子散射有关系呢？
成果简介
针对该问题，上海交通大学物理与天文学院马杰特别研究员（通讯作者）、任清勇博士（第一作者），联合德国马普所付晨光博士（共同通讯作者）、上海大学杨炯教授（共同通讯作者）和浙江大学朱铁军教授等合作者，使用非弹性中子散射技术，结合输运性质测量和第一性原理计算，对ZrNiSn1-xSbx基half-Heusler热电材料中的电声子耦合进行了深入研究。实验观测发现，离化杂质和晶界散射在低温电输运性质中起主导作用（图2）。通过纵-横光学声子劈裂行为的研究，作者们发现ZrNiSn热电材料中存在明显的极化光学声子散射；而电子掺杂在强化声学声子散射和合金散射的同时，可以有效屏蔽极化光学声子散射，从而造成电子迁移率随载流子浓度先增加后减小的非线性现象。这个交叉出现的拐点，正好对应着其热电性能的最优载流子浓度（图3、图4）。研究还发现，低温区起主导作用的离化杂质和晶界散射也可以被有效屏蔽。根据以上分析结果，作者们为ZrNiSn1-xSbx基half-Heusler热电材料建立了随温度和载流子浓度变化的散射机制相图（图5）。该相图的建立，有望为half-Heusler化合物中输运性质的调控和热电性能的进一步优化提供指导。相关研究成果以“Establishing the carrier scattering phase diagram for ZrNiSn-based half-Heusler thermoelectric materials”为题在线发表在国际著名期刊Nature Communications。
图文导读
图1. （a）几种常见半导体热电材料和（b）half-Heusler基热电材料中载流子迁移率在300K时对载流子浓度的不同依赖性。
图2.（a）ZrNiSn1-xSbx粉末样品载流子迁移率的温度依赖性；（b）单晶样品中载流子迁移率的温度依赖性；（c）300K下多晶与单晶样品中载流子迁移率随载流子浓度变化的对比；（d）多晶样品中晶格热导率的温度依赖性。
图3.（a）非弹性中子散射测量获得的ZrNiSn样品中的动态结构因子S(Q,E)；（b）不同载流子浓度样品中的中子加权声子态密度（neutron-weighted phonon DOS）；（c）第一性原理计算获得的ZrNiSn中的中子加权声子态密度；计算获得的（d）声子群速度，（e）声子散射率和（f）晶格热导率。
图4.（a）ZrNiSn中的LO-TO splitting；（b）由第一性原理计算获得的ZrNiSn声子色散关系；（c）屏蔽效应的物理图像：随着载流子浓度的增加，屏蔽效应逐渐增强，相应地Thomas-Fermi屏蔽半径rTF逐渐减小，LO-TO splitting被逐渐抑制；（d）第一性原理计算获得的屏蔽前后的声子态密度；（e）中子加权声子态密度分析证明LO-TO splitting随载流子浓度的增加而减小，而由极化光学声子散射主导的载流子迁移率逐渐增加；（f）几种典型半导体热电材料中的极化耦合常数αPO。
图5. （a）ZrNiSn1-xSbx样品中随温度和载流子浓度的载流子散射机制相图；（b）300K下单晶与多晶样品的载流子散射机制对比相图。
该项工作得到了国家自然科学基金委、111计划、德国洪堡基金、日本散裂中子源、中国散裂中子源等的资助和支持。
文章链接：Establishing the carrier scattering phase diagram for ZrNiSn-based half-Heusler thermoelectric materials. Nature Communications 11, 3142 (2020).
https://www.nature.com/articles/s41467-020-16913-2
本文由上海交通大学物理与天文学院马杰课题组供稿。
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