進展|近室溫熱電材料α-MgAgSb低熱導機制的中子散射研究

2020-12-03 中科院物理所

熱電材料可以實現熱能和電能的相互轉換，在溫差熱發電、固態製冷及低溫下穩定工作的太空衛星製冷器等方面擁有巨大的應用市場。儘管對熱電效應的研究始於19世紀20年代初期，但商業化的熱電器件能量轉化效率長期以來達不到實際應用能量轉化效率不小於10%的需求，主要原因是傳統熱電材料品質因數ZT值較低。

α-MgAgSb-基熱電材料具有近室溫高品質因數(450 - 550 K：ZT~1.4)，成為重要的高熱電性能材料。中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心北京散裂中子源靶站譜儀工程中心的王芳衛研究員指導博士生李西陽，聯合物理所趙懷周研究員，中國散裂中子源王保田研究員、劉鵬飛博士，香港城市大學王循理教授及美國休斯頓大學任志峰教授等合作者，利用中子散射與第一性原理計算，對α-MgAgSb材料的低熱導機制進行了深入研究。中子全散射的對分布函數(PDF)分析發現材料中存在Mg-Sb構成的NaCl型晶格的局域結構畸變（圖1）。高分辨非彈性中子散射發現了新奇的雙蘑菇散射聲子態密度，然而並沒有測量到橫聲學聲子，第一性原理計算顯示α-MgAgSb中橫聲學支聲子被局域結構畸變近乎完全散射（圖2）。此外，對比變溫高分辨中子散射測得的聲子態密度隨溫度升高的軟化率與晶格熱膨脹造成的聲子軟化率，發現前者是後者的近2倍，存在顯著的聲子非諧效應（圖3）。

以上研究表明，α-MgAgSb低晶格熱導是局域結構畸變導致強橫聲學支聲子散射和聲子非諧效應的結果，從材料精細晶體結構和原子動力學的微觀層面上揭示了α-MgAgSb具有低熱導的物理機制，對開發新型高性能熱電材料具有重要指導意義。

相關工作在Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-020-14772-5) 在線發表，得到了國家自然科學基金（11675255, 51571170）、科技部國家重點研發計劃（2016YFA0401503, 2016YFA0401501, 2018YFA0702100）、香港裘槎基金（9500034）、松山湖材料實驗室中子平臺經費和英國牛頓基金中國項目等基金的資助。中子散射實驗得到了中國散裂中子源CSNS、英國散裂中子源ISIS、澳大利亞中子源ANSTO和日本散裂中子源J-PARC的支持。

相關工作連結：Ultralow thermal conductivity from transverse acoustic phononsuppression in distorted crystalline α-MgAgSb, 11,942 (2020).

圖1:中子全散射結合對分布函數分析方法研究α-MgAgSb中的Mg-Sb畸變結構。

圖2: 局域結構畸變對橫聲學支聲子的壓制。a, b. 高分辨非彈性中子散射測得的聲子態密度數據顯示幾乎未測量到橫聲學支聲子。c,d. 第一性原理計算得到的局域結構畸變MgAgSb（橫聲學支聲子被壓制）和無局域結構畸變MgAgSb（存在橫聲學支聲子）對應的含中子散射比重的聲子態密度數據。

圖3: 高分辨非彈性中子散射測得的隨溫度升高造成的聲子軟化。

編輯：Kun

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