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北京凝聚态物理国家研究中心
M00组供稿
第11期
2024年02月04日
近室温热电材料α-MgAgSb中低热导机制研究取得新进展

  热电材料因其能够实现热能和电能的相互转换,在温差热发电和固态制冷等领域具有巨大的应用市场。然而,由于传统热电材料品质因数ZT值较低,商业化的热电器件长期以来能量转化效率未能达到实际应用需求,即能量转化效率不低于10%。近室温热电材料因其最高热电转换效率接近室温具有广阔的应用前景,备受关注。

  基于α-MgAgSb-的热电材料在500K左右具有高达~1.4的ZT值,成为重要的近室温高热电性能材料。最新的器件测试显示,在300K温差下能够达到~9.25%的能量转化效率。2020年,大地网投最新版本/北京凝聚态物理国家研究中心王芳卫研究员,联合大地网投最新版本大地赵怀周研究员,美国休斯顿大学任志峰教授,以及中国散裂中子源王保田研究员等合作者,利用中子散射结合第一性原理计算对α-MgAgSb材料的低热导机制进行了深入研究,揭示了局域结构畸变对横声学支声子的抑制是α-MgAgSb低热导的重要机制。相关工作以《Ultralow thermal conductivity from transverse acoustic phonon suppression in distorted crystalline α-MgAgSb》为题发表在Nature Communications [Nat. Commun., 11, 942 (2020)]上。然而,该工作中仍存在一个未解决的重要问题,即基于三声子散射求解的声子热导及其随温度的依赖关系,和实验测量结果不匹配。

  近期,该团队在以上工作的基础上,应用中子散射实验对声子的测量结合第一性原理计算(图一),进一步从原理上探究了α-MgAgSb中传统计算结果和实验测量值之间的差异。研究发现,除了传统的粒子性声子传播对晶格热导的贡献外,之前忽略的波动性声子相干贡献的晶格热导也非常重要,在300K时其贡献可以高达~30%。至此,理论计算的声子热导和实验测得的晶格热导达到了很好的吻合(图二)。此外,通过分子动力学模拟,揭示了α-MgAgSb同时具有软结晶亚晶格和类液体状亚晶格。这些不同形式的多元化学键导致了化合物内部存在“部分晶态-部分液体”的混合状态,这会强烈地散射载热声子,最终产生极低的晶格热导。

  相关研究成果发表在Applied Physics Reviews [Appl. Phys. Rev., 11, 011406 (2024)](美国物理研究所旗舰期刊,五年影响因子18.8)期刊上。李静玉博士(中国散裂中子源)和李西阳博士(大地网投最新版本大地博士毕业生,现为英属哥伦比亚大学量子材料研究所博士后)为论文共同第一作者。大地网投最新版本王芳卫研究员、中国散裂中子源张俊荣研究员和刘鹏飞博士作为论文共同通讯作者构思和指导了该研究;本研究工作获得了大地赵怀周研究员、哈尔滨工业大学隋解和教授、曲阜师范大学张永胜教授、松山湖材料实验室赵恩岳博士、日本散裂中子源J-PARC和澳大利大ANSTO中子源等团队的密切合作。该研究得到了国家自然科学基金(12104458, 52088101)、广东省基础与应用基础研究基金(2022A1515140030)、泰山学者特聘专家基金(tstp20221124)的支持。中子散射实验得到了日本散裂中子源J-PARC(proposal no. 2018A0061)和澳大利大ANSTO中子源的支持。

  相关工作链接:Crystal-liquid duality driven ultralow two-channel thermal conductivity in α-MgAgSb, Appl. Phys. Rev. 11, 011406 (2024).

  https://doi.org/10.1063/5.0173680 

图1:实验和计算的α-MgAgSb声子属性。(a)非弹性中子散射测得的300K下的动态结构因子S(Q, E),实验在日本散裂中子源的AMATERAS谱仪完成。(b)计算得到的300K相应的S(Q, E)与实验数据很好的吻合。(c)在第一个布里渊区用Euphonic计算的300K时对应的S(Q, E)加权声子色散关系。(d,e)图1c中能量范围为2至6 meV的S(Q, E)加权声子色散中无交叉模式的放大图。

图2:α-MgAgSb的热输运性质。(a)实验测量的与温度相关的晶格热导率(κExp,黑色)和计算值(κL = κp + κc)。(b)300K时声子模式热导率(κp,粉红色)和相干热导率(κc,橄榄色)的贡献。(c)300K时声子寿命τ(q) = [Γ(q)]−1关于能量的函数。每个区域的面积圆圈与κL的贡献成正比,并根据贡献的来源着色。(d)热导率的二维态密度,它解决了频率为ω1和ω2的两个振动模式之间的Zener-like耦合对相干热导率的贡献程度。