材料熱電轉化機理的理論研究取得進展

自旋軌道耦合（SOC）作為固體材料中的基本相互作用之一，對電子的輸運行為有著顯著的已知影響。但其對聲子這種與固體材料中聲、熱傳導直接相關的基本粒子的影響在很大程度上仍然未知。目前所有相關研究都集中在SOC如何影響各種材料中聲子輸運的諧性項，而少有研究SOC對聲子非諧性的影響及其後果的工作。例如在對材料熱電性質的研究中，人們通常認為SOC僅影響聲子的諧振性質，因此在計算晶格熱導率時可以被忽略。

在科技部納米重點專項、中國科學院戰略性先導科技專項以及海西研究院前瞻跨越專項的支持下，中科院福建物質結構研究所結構化學國家重點實驗室庄巍課題組從理論上研究了在具有超高熱電轉換效率的SnSe體系中SOC如何影響聲子輸運以及熱電效率的問題。使用第一性原理計算和玻爾茲曼輸運方程，該課題組發現SOC極大地增強了材料中晶格熱導率（高達~60%）。庄巍課題組還首次提出這種增強源於其對聲子非諧性的影響：SOC通過削弱由Se原子的p軌道形成的離域共振鍵網路來增強層間Sn-Se鍵，因此削弱了聲子非諧性。上述研究成果發表在Nano Energy上。

該成果是庄巍課題組自2016年起在熱電機理研究方向上的最新進展，以前的研究成果包括引入MoO2納米夾層物以顯著增強MoS2的熱電性能（Journal of Material Chemistry A, 5:2004-2011, 2016）；通過鈦摻雜增強WS2的熱電性能（Journal of Material Chemistry A, 4:10159-10165, 2016）；通過與AgSbSe2合金化改善GeSe的熱電性能（Angewandte Chemie International Edition, 56, 14113-14118, 2017）以及通過嵌入VMo2S4納米夾雜物實現具有增強熱電性能的p型MoS2（Journal of Physical Chemistry B, 122, 2, 713-720, 2018）。

福建物構所材料熱電轉化機理的理論研究取得進展

來源：中國科學院福建物質結構研究所

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