合肥研究院热电材料低热导率研究取得进展

相关研究成果发表在Physical Review
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上,该研究得到了国家自然科学基金、中科院超算中心合肥分中心的资助。

热电材料可以实现热能和电能之间的相互转化,其转换效率可以用无量纲的ZT值来衡量,ZT=S2sT/κ,其中S、s和κ分别代表塞贝克系数、电导率和热导率。ZT值越大,热电转换效率越高。目前报道的热电材料转换效率较低,寻找具有较低热导率的材料是提高热电材料转换效率的一个重要方法。热导率与表征材料非简谐性参数的关系为:

近日,中国科学院合肥科学研究院固体物理研究所物质计算科学研究室研究员张永胜课题组在热电材料低热导率研究中取得新进展。

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γ越大,热导率越低。矿石材料由于具有很低的热导率且价格低廉,而受到科研人员广泛关注,其中两种同构同型的矿石材料CuBiS2和CuSbS2的实验测量热导率值差别很大,室温下CuBiS2的热导率仅为CuSbS2的1/3,因此探索影响材料低热导率的物理机制对设计和寻找新材料具有重要意义。

据此,张永胜课题组采用密度泛函理论方法,研究了CuBiS2相对于CuSbS2具有较低热导率的物理机制。研究表明,CuBiS2和CuSbS2中的Bi和Sb原子都含有孤对电子,而孤对电子会导致材料有较强的非简谐性,因而两种材料都有较低的热导率。对CuSbS2材料而言,Sb位的孤对电子是导致其具有较大格林爱森常数的主要原因;而在CuBiS2中,除了Bi位的孤对电子,Cu原子的近自由振动行为会进一步增大材料的格林爱森常数,这种孤对电子和原子振动的协同作用导致CuBiS2相对于CuSbS2具有更低的热导率。相关研究表明,孤对电子和原子振动的协同效应对声子非简谐性有着重要影响,也为寻求和设计具有超低热导率和高效率的新型热电材料提供了新的思路。

图1.CuBiS2在方向的电子局域函数CuBiS2的格林爱森常数图

图2.CuBiS2的原子势能变化图;CuSbS2和CuBiS2的热导率图

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