2020年6月19日，上海交通大學物理與天文學院馬傑特別研究員（通訊作者）、任清勇博士（第一作者），聯合德國馬普所付晨光博士（共同通訊作者）、上海大學楊炯教授（共同通訊作者）和浙江大學朱鐵軍教授等合作者，在Nature子刊《Nature Communications》以「Establishing the carrier scattering phase diagram for ZrNiSn-based half-Heusler thermoelectric materials」為題發表最新研究成果，揭示了載流子濃度對熱電效應的調控，該研究成果有望為熱電材料性能優化提供新的思路。
熱電材料可以實現熱能與電能之間的相互轉化，是尋找新能源與提高能源利用率的先進功能材料，其指標參數為熱電優值，zT = a2sT/(kele + klat)。當前的核心問題是調控熱、電輸運的微觀散射機制。由於熱電材料一般同時含有多種不同散射機制，所以很難準確識別主導散射機制並對其進行精準調控。作為調控熱電性能的常用方法，化學摻雜除了優化載流子濃度或引入合金散射外，是否還有其他貢獻？
近來，馬傑課題組與合作者使用非彈性中子散射技術，結合輸運性質測量和第一性原理計算，對ZrNiSn基half-Heusler熱電材料中化學摻雜的其它效應進行了深入研究。
首先，結合非彈性中子散射實驗和第一性原理計算（圖1a-c），研究團隊發現ZrNiSn體系中縱-橫光學支劈裂（LO-TO splitting）會隨著載流子濃度的增加而減小。這種現象說明化學摻雜效應會在材料中帶來屏蔽效應，從而減弱其極化電場（圖1d）。另外，該屏蔽效應的增強不僅增強了載流子遷移率，而且減弱了相應極化光學聲子散射（圖1e）。與此同時，載流子濃度的增加會強化聲學聲子散射和合金散射。兩種效果的疊加致使half-Heusler熱電材料中的遷移率表現出先增加後減小的非線性現象（圖1f）。而這個交叉出現的拐點，正好對應著其熱電性能的最優載流子濃度。
圖1. （a）非彈性中子散射測量獲得的ZrNiSn樣品中的結構因子S(Q,E)；（b）不同載流子濃度樣品中的聲子態密度；（c）第一性原理計算獲得的ZrNiSn樣品中的聲子色散關係；（d）屏蔽效應，rTF為Thomas-Fermi屏蔽半徑；（e）中子加權聲子態密度 vs LO-TO splitting；（f）half-Heusler基熱電材料的遷移率對載流子濃度的非線性依賴。
研究團隊還發現，由載流子摻雜帶來的屏蔽效應不僅可以作用於極化光學聲子散射，而且可以有效影響離化雜質和晶界散射。對多晶和單晶樣品的遷移率的溫度和載流子濃度依賴性的研究和分析指出，ZrNiSn材料中的離化雜質和晶界散射在低溫下同時起重要作用。但隨著載流子濃度的增加，這兩種散射機制也被逐漸屏蔽，遷移率相應的變大。
根據以上分析結果，研究團隊為ZrNiSn1-xSbx基half-Heusler熱電材料建立了隨溫度和載流子濃度變化的散射機制相圖。該相圖的建立，有望為half-Heusler化合物中輸運性質的調控和熱電性能的進一步優化提供指導。
該項工作得到了國家自然科學基金委、111計劃、德國洪堡基金、日本散裂中子源、中國散裂中子源等的資助和支持。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16913-2