近日，中國科學(xué)院合肥科學(xué)研究院固體物理研究所物質(zhì)計算科學(xué)研究室研究員張永勝課題組在熱電材料低熱導(dǎo)率研究中取得新進(jìn)展。
熱電材料可以實現(xiàn)熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化，其轉(zhuǎn)換效率可以用無量綱的ZT值來衡量，ZT=S2sT/κ，其中S、s和κ分別代表塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。ZT值越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。目前報道的熱電材料轉(zhuǎn)換效率較低，尋找具有較低熱導(dǎo)率的材料是提高熱電材料轉(zhuǎn)換效率的一個重要方法。熱導(dǎo)率與表征材料非簡諧性參數(shù)(格林愛森常數(shù)γ)的關(guān)系為：
中科院張永勝團(tuán)隊：熱電材料低熱導(dǎo)率研究取得進(jìn)展！
γ越大，熱導(dǎo)率越低。礦石材料由于具有很低的熱導(dǎo)率且價格低廉，而受到科研人員廣泛關(guān)注，其中兩種同構(gòu)同型的礦石材料CuBiS2和CuSbS2的實驗測量熱導(dǎo)率值差別很大，室溫下CuBiS2的熱導(dǎo)率(0.5W/mK)僅為CuSbS2(1.5W/mK)的1/3，因此探索影響材料低熱導(dǎo)率的物理機(jī)制對設(shè)計和尋找新材料具有重要意義。
據(jù)此，張永勝課題組采用密度泛函理論方法，研究了CuBiS2相對于CuSbS2具有較低熱導(dǎo)率的物理機(jī)制。研究表明，CuBiS2和CuSbS2中的Bi和Sb原子都含有孤對電子，而孤對電子會導(dǎo)致材料有較強(qiáng)的非簡諧性，因而兩種材料都有較低的熱導(dǎo)率。對CuSbS2材料而言，Sb位的孤對電子是導(dǎo)致其具有較大格林愛森常數(shù)的主要原因；而在CuBiS2中，除了Bi位的孤對電子，Cu原子的近自由振動行為會進(jìn)一步增大材料的格林愛森常數(shù)，這種孤對電子和原子振動的協(xié)同作用導(dǎo)致CuBiS2相對于CuSbS2具有更低的熱導(dǎo)率。相關(guān)研究表明，孤對電子和原子振動的協(xié)同效應(yīng)對聲子非簡諧性有著重要影響，也為尋求和設(shè)計具有超低熱導(dǎo)率和高效率的新型熱電材料提供了新的思路。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Physical Review B上，該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中科院超算中心合肥分中心的資助。
