郭凯教授团队在1-1-1型Zintl相热电材料研究领域取得全新进展
2024-07-02 15:43 郭凯  审核人:潘书生




近日,我院郭凯教授课题组在1-1-1型Zintl相热电材料研究方面取得了新的进展,相关研究成果以 “In-Plane Overdamping and Out-Plane Localized Vibration Contribute to Ultralow Lattice Thermal Conductivity of Zintl Phase KCdSb”为题,发表在国际权威期刊《Advanced Science》上。

在Zintl相化合物中,CdSb基热电材料由于其优良的热电性能受到研究者们的广泛关注。其中1-1-1型化合物ACdSb(A为一价元素)的晶体结构受A元素的影响较大,会产生多种结构类型。在此研究背景下,郭凯教授课题组先后成功合成了半赫斯勒结构的八电子化合物LiCdSb以及正交结构的化合物NaCdSb,并结合第一性原理计算对其电热输运行为进行了系统性研究,相关研究成果已在《Small Science》(DOI: 10.1002/smsc.202200065)及《Angewandte Chemie International Edition》(DOI: 10.1002/anie.202212515)等期刊上发表。近日,该团队发现,当A位为具有更大原子半径的碱金属K原子时,会形成四方结构的化合物KCdSb,其空间群为P4/nmm。在此结构中,沿着c轴方向共振阳离子与阴离子具有更弱的键合,从而诱导出更低的晶格热导率(如图1所示)。

1 KCdSb低晶格热导率分析

在该研究中,作者强调了阴离子基团对声子传输的影响。以KCdSb为例,采用理论和实验相结合的研究方法揭示了其低晶格热导率的起源。阴离子基团[CdSb4/4]-导致三支声学支振动,其中两支横向声学支的耦合有助于阻碍声子扩散。此外,K+离子在声子谱中表现出明显的频率依赖性,诱导了高频声学支和低频光学支之间的耦合。声学声子和光学声子的低声子速度导致了KCdSb固有的低晶格热导率。第一性原理计算表明,晶界在散射中频声子和降低声子寿命中也发挥了一定作用,最终导致晶格热导率的进一步抑制。由于这些因素的综合作用,KCdSb表现出“声子玻璃”的热输运行为,有助于获得大的热电优值zT。通过Na合金固溶,K0.84Na0.16CdSb在712 K时达到了最大热电优值zT = 0.6,显示了其作为热电材料研究的巨大潜力。这一工作为设计高性能的Zintl相热电材料指明了方向。

2 通过Na合金固溶KCdSb实现材料热电性能提升

该工作由广州大学和复旦大学、上海大学以及同济大学等单位合作完成。广州大学为第一署名单位。相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金联合重点项目、广州大学“2+5” 学科与科研创新平台的支持。





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