Adv.Energy Mater.利用能帶設計提高α-MgAgSb熱電性能

【引言】

在室溫附近(300-500K)，具有優良熱電性能的傳統碲化鉍合金仍具有不可替代的地位。但是碲元素極其稀缺，地殼儲量僅為金元素的四分之一，甚至低於白金，難以大規模商業化應用。近來α-MgAgSb熱電材料異軍突起，其組成元素儲量豐富，Ni摻雜的α-MgAgSb基熱電材料ZT在525K可達1.4，能量轉換率比目前商用的Bi2Te3還高，可達8.5%，作為新一代近室溫熱電材料成為研究熱點。

【成果簡介】

最近，中科院寧波材料所的劉國強研究員和蔣俊研究員（共同通訊作者）等人於Advanced Energy Materials上發表了文章「Improving Thermoelectric Performance of α-MgAgSb by Theoretical Band Engineering Design」，文章基於電子/聲子結構和傳輸計算系統研究了α-MgAgSb的熱電性能，通過對費米面的分析計算，提出了一種能帶設計方法，並利用該方法成功預測了幾種有效摻雜。該研究不僅證明了α-MgAgSb是一種很有發展潛力的P型熱電材料，同時也為能帶設計提供了一種可行的方法。

【圖文導讀】

圖1. 能帶結構

a) 用PBE和mBJ函數計算α-MgAgSb能帶結構

b) 布里淵區電子袋

c) 布里淵區空穴袋

圖2. 價帶組成

a) α-MgAgSb總態密度和原子投影態密度

b) 價帶頂的紅色圓圈的大小表示Mg-s軌道的特徵權重

c) 價帶頂的綠色圓圈的大小表示Ag-d 軌道的特徵權重

圖3. Zn-摻雜和Pd摻雜α-MgAgSb能帶結構和費米面

a) Zn摻雜α-MgAgSb能帶結構和費米面

b) Pd摻雜α-MgAgSb能帶結構和費米面

價帶頂的紅色圓圈和綠色圓圈的大小分別表示Zn-s 和 Pd-d軌道特徵權重

圖4. 聲子傳輸特性

a) 聲子色散關係

b) α-MgAgSb晶格熱導率與溫度關係圖

漸變色和圓圈大小表示相應聲子束的群速度

圖5. 電子傳輸特性

a) α-MgAgSb室溫下塞貝克係數S與載流子濃度的關係圖，虛線為m* = 2.0 m0的Pisarenko圖

b) 不同載流子濃度和摻雜劑的α-MgAgSb的載流子弛豫時間

圖6. ZT預測

a) 功率因子S2σ預測圖

b) α-MgAgSb的ZT預測值與溫度T載流子濃度n關係圖

圖中標註數字為實驗值

圖7. 熱電性能的提高

a) 載流子濃度為2 × 1020cm?3時的塞貝克係數

b) Zn摻雜、Pd摻雜和未摻雜α-MgAgSb的最優ZT值

c) Tc = 300 K時Zn摻雜、Pd摻雜和未摻雜α-MgAgSb的單臂轉化效率η

d) Zn摻雜、Pd摻雜和未摻雜α-MgAgSb的熱電自兼容因子，納米結構的Bi4Sb1.6Te3也在圖中出現作為對比

【小結】

研究者通過對電子/聲子結構和運輸計算系統地研究了α-MgAgSb的熱電性能，利用能帶結構計算重現了α-MgAgSb的半導體特性，計算得到的帶隙與實驗測量結果一致，同時也證明了可以通過調整Mg-s或Ag-d軌道來進行能帶工程。

本文由材料人編輯部電子電工學術組zzzlx整理編譯。

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