重新构想热电：魔方结构释放Heusler潜力-DG城市

研究人员开发了类似于魔方结构的Slater-Pauling（S-P）Heusler材料，具有很有前途的热电应用。这些材料在保持半导体性能的同时，挑战了传统的半导体规则。图片来源：中国科学院

科学家们创造了具有半导体特性的独特 Slater-Pauling Heusler 材料，在热电应用中具有巨大的潜力。他们的研究揭示了这些材料独特的电子再分布和热特性。

最近，中国科学院合肥物质科学研究院（HFIPS）的研究人员设计了具有类似魔方的独特结构的Slater-Pauling（S-P）Heusler材料。这些材料由于其类似半导体的特性而显示出在热电应用中的潜力。

独特的半导体特性

“在传统的半导体Heusler合金中，价电子的数量遵循特定的规则。然而，这些S-P Heusler化合物在仍然表现出半导体行为的同时，却违背了这一规则，“该论文的第一作者Zhuoyang Ti说，”我们在这项研究中成功地解释了这种现象的根本原因。

这些研究结果已发表在《物理评论B》上。

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图 1.从理论上预测了TiFe1.5Sb和MCo1.33Sn的晶体结构和亚结构的排列。图片来源：Ti 卓阳

非化学计量Heusler化合物的探索

一些化学计量偏离的Heusler化合物已被预测表现出半导体特性。然而，这些S-P半导体的键合行为及其晶体结构与热电性能之间的关系仍不清楚。

对Heusler系统的深入研究

在这项研究中，该团队专注于两种Heusler系统：Ti-Fe-Sb和M-Co-Sn（M = Ti，Zr，Hf）。在这两个系统中，他们预测了热力学稳定的TiFe_1.5Sb和MCo_1.33Sn S-P半导体。

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图2.（一、二）TiFe1.5Sb的原子分辨态密度（DOS）和晶体轨道哈密顿布居（COHP）。（c、d）形成TiFe1.5Sb的分子轨道（MO）图示意图。图片来源：Ti 卓阳

了解唯一属性

研究人员进一步解释了这些化合物独特特性背后的原因。

研究人员深入研究了这些化合物的独特性质。除了公认的 HH 和 FH 局部几何形状外，这些 S-P 结构还包含有缺陷的 HH （DH）和有缺陷的 FH （DF）子结构。这是由于 Y 原子（Fe 或 Co）在 4d Wyckoff 位点的部分占据。一个有趣的结果是，在TiFe_1.5Sb和MCo_1.33Sn中形成了二阶和三阶魔方图案，这归因于这些子结构的规则堆叠。

这种独特的排列是重新分配晶格内电子的关键，导致带隙的形成。它还降低了声子德拜温度并增强了非谐波振动，从而抑制了晶格热导率。因此，与传统的 HH 和 FH 化合物相比，这些材料表现出较低的导热性。值得注意的是，由于其高功率因数和低导热性，p型ZrCo_1.33Sn在1000K时计算出的zT值达到0.54。