作者:韩丹等 来源:《物质》 发布时间:2023/11/17 11:49:21
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钙钛矿衍生体系中实现“声子玻璃、电子晶体”的概念

 

2023年11月15日,德国慕尼黑大学韩丹博士和英国伯明翰大学的David Scanlon教授合作在Matter期刊上发表了一篇题为“Discovery of multi-anion antiperovskites X6NFSn2 (X = Ca, Sr) as promising thermoelectric materials by computational screening”的研究成果。

该工作报道了两种具有优异热电性能的新型多阴离子反钙钛矿材料X6NFSn2(X = Ca、Sr),在钙钛矿衍生体系中实现了“声子玻璃、电子晶体”的概念。论文通讯作者是韩丹、David Scanlon;第一作者是韩丹,朱博南。

导电和导热作为热电材料的两个基本属性,总是相互依存。“声子玻璃、电子晶体”(PGEC)概念有助于解耦热电材料的电性能和热性能,从而提高热电优值(ZT)。“声子玻璃、电子晶体”行为最初是在方钴矿和笼形化合物中观察到。除了方钴矿和笼型化合物之外,鉴于钙钛矿结构A位原子的立方八面体结构,钙钛矿结构成为验证“声子玻璃、电子晶体”概念的新载体。尽管如此,目前报道的卤化物、氧化物、氮化物钙钛矿材料的热电性能仍远落后于最佳的热电材料,例如SnSe。

慕尼黑大学化学系的韩丹博士和伯明翰大学的David Scanlon教授从阴离子演化思路出发结合结构搜索的方法,理论设计了多阴离子反钙钛矿X6NFSn2(X = Ca、Sr 和 Ba)。他们采用团队自主研发的ThermoParser软件(https://github.com/SMTG-Bham/ThermoParser)和机器学习辅助的晶格热导计算,细致地探究了Ca6NFSn2和Sr6NFSn2的热电性能,发现它们具有良好的电导和低的晶格热导,导致在1000 K时,热电优值可达1.9和2.3。它们的热电优值已高于当前已报道的钙钛矿氧化物和卤化物。

图1:X6NFSn2(X=Ca、Sr、Ba)晶体结构预测示意图。

图2:X6NFSn2的声子谱与原子投影态密度图。

图3:X6NFSn2的能带结构和原子投影态密度DoS (HSE06+SOC)。

图4:p型X6NFSn2在四种不同载流子浓度下的电传输特性与温度的函数关系。

图5:p型X6NFSn2的理论热电优值(ZT)作为温度和载流子浓度的函数。

图6:X6NFSn2的各向同性平均模态群速度、寿命和平均自由程分析。

图7:原子间化学键强度分析。

该工作在钙钛矿衍生化合物中实践了“声子玻璃、电子晶体”的概念,并为设计性能优良的热电材料提供了新策略。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.matt.2023.10.022

 
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