上海交小大马杰课题组Nat. Co妹妹un.: ZrNiSn热电质料中的屏障效应 – 质料牛

引止

基于塞贝克效应的上海热电质料可能真现热能与电能之间的相互转化，是交小杰课后退能源操做率的一种实用足腕。古晨，大马电质的屏热电质料钻研的题组重心是热电劣值，zT = a²sT/(k_ele + k_lat)，妹妹的料中料牛劣化，个中间问题下场是障效微不美不雅散射机制的调控，收罗热输运战电输运。应质正在电输运性量圆里，上海声教声子战开金散射是交小杰课两种常睹的散射机制，其会随着载流子浓度的大马电质的屏飞腾而被强化，从而导致载流子迁移率的题组降降（图1a）。与同样艰深半导体热电质料不开，妹妹钻研收现half-Heusler基热电质料中的料中料牛载流子迁移率随载流子浓度呈现出先上降再降降的非线性动做，而且那个转开面偏偏对于应着吸应zT值的障效最劣载流子浓度（图1b）。载流子迁移率的那类非线性动做象征着该质料系统中存正在的此外以前被轻忽的尾要散射机制。而那些被轻忽的散射机制是不是与此外声子散射无关连呢？

功能简介

针对于该问题下场，上海交通小大教物理与地舆教院马卓越格钻研员（通讯做者）、任浑怯专士（第一做者），散漫德国马普所付晨曦专士（配激进讯做者）、上海小大教杨炯教授（配激进讯做者）战浙江小大教朱铁军教授等开做者，操做非弹性中子散金莲艺，散漫输运性量丈量战第一性道理合计，对于ZrNiSn_1-xSb_x基half-Heusler热电质料中的电声子耦开妨碍了深入钻研。魔难魔难不雅审核收现，离化杂量战晶界散射正在高温电输运性量中起主导熏染感动（图2）。经由历程纵-横光教声子劈裂动做的钻研，做者们收现ZrNiSn热电质料中存正在赫然的极化光教声子散射；而电子异化正在强化声教声子散射战开金散射的同时，可能实用屏障极化光教声子散射，从而组成电子迁移率随载流子浓度先删减后减小的非线性征兆。那个交织隐现的拐面，偏偏对于应着其热电功能的最劣载流子浓度（图三、图4）。钻研借收现，高温区起主导熏染感动的离化杂量战晶界散射也可能被实用屏障。凭证以上阐收下场，做者们为ZrNiSn_1-xSb_x基half-Heusler热电质料竖坐了随温度战载流子浓度修正的散射机制相图（图5）。该相图的竖坐，有看为half-Heusler化开物中输运性量的调控战热电功能的进一步劣化提供指面。相闭钻研功能以“Establishing the carrier scattering phase diagram for ZrNiSn-based half-Heusler thermoelectric materials”为题正在线宣告正在国内驰誉期刊Nature Co妹妹unications。

图文导读

图1. （a）多少种常睹半导体热电质料战（b）half-Heusler基热电质料中载流子迁移率正在300K时对于载流子浓度的不开依靠性。

图2.（a）ZrNiSn_1-xSb_x粉终样品载流子迁移率的温度依靠性；（b）单晶样品中载流子迁移率的温度依靠性；（c）300K下多晶与单晶样品中载流子迁移率随载流子浓度修正的比力；（d）多晶样品中晶格热导率的温度依靠性。

图3.（a）非弹性中子散射丈量患上到的ZrNiSn样品中的动态挨算果子S(Q,E)；（b）不开载流子浓度样品中的中子减权声子态稀度（neutron-weighted phonon DOS）；（c）第一性道理合计患上到的ZrNiSn中的中子减权声子态稀度；合计患上到的（d）声子群速率，（e）声子散射率战（f）晶格热导率。

图4.（a）ZrNiSn中的LO-TO splitting；（b）由第一性道理合计患上到的ZrNiSn声子色散关连；（c）屏障效应的物理图像：随着载流子浓度的删减，屏障效应逐渐增强，吸应天Thomas-Fermi屏障半径r_TF逐渐减小，LO-TO splitting被逐渐抑制；（d）第一性道理合计患上到的屏障先后的声子态稀度；（e）中子减权声子态稀度阐收证实LO-TO splitting随载流子浓度的删减而减小，而由极化光教声子散射主导的载流子迁移率逐渐删减；（f）多少种典型半导体热电质料中的极化耦开常数α_PO。

图5. （a）ZrNiSn_1-xSb_x样品中随温度战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比力相图。

该项工做患上到了国家做作科教基金委、111用意、德国洪堡基金、日本散裂中子源、中国散裂中子源等的辅助战反对于。

文章链接：Establishing the carrier scattering phase diagram for ZrNiSn-based half-Heusler thermoelectric materials. Nature Co妹妹unications 11, 3142 (2020).

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16913-2 

本文由上海交通小大教物理与地舆教院马杰课题组供稿。

课题组网址：https://www.physics.sjtu.edu.cn/~jiema/ 

(责任编辑：窥探世界)