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美国西北大学G. Jeffrey Snyder教授课题组:半赫斯勒材料成分变化对价带结构的影响

作者: Research编辑部

时间: 2020-06-02 14:08

近期,美国西北大学G. Jeffrey Snyder教授课题组借助高通量计算和机器学习的方法,研究半赫斯勒热电材料成分变化对价带结构的影响并提出如何通过成分调控提高价带简并度。首先采用高通量计算得到一系列能带结构,根据价带顶附近的原子轨道对能带结构进行分类。然后借助机器学习的帮助,根据化学成分及化合价预测价带顶的位置。相关成果以“Machine Learning Chemical Guidelines for Engineering Electronic Structures in Half-Heusler Thermoelectric Materials”为题发表在Research 上。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2020/6375171/

研究背景

半赫斯勒材料是近年来新开发的高温热电材料。除了组成元素丰富、机械强度和热稳定性好的优点之外,通常还具有优异的电输运性质,特别是P型材料,其功率因子通常很高。半赫斯勒材料的高功率因子与其能带结构息息相关,例如,低变形势和高能带简并度等。然而目前半赫斯勒热电材料的研究体系比较局限,成分变化对能带结构的影响还不清楚。因此建立能带结构与成分变化的关系谱图有利于采用能带工程进一步优化半赫斯勒材料的热电性能以及探索新型半赫斯勒热电材料。

研究进展

XYZ半赫斯勒材料具有三个原子占位,每个占位对应的元素大多具有s、p、d三个原子轨道,而超过97%的轨道特征的变化是由X-d,Y-d和Z-p的变化导致的。因此可以用图1的相图来表示原子轨道对应的能带结构。例如:绿色区域对应的材料价带顶附近的X-W路径上含有大量来自于Z-p轨道的贡献,价带顶位于W点;蓝色区域对应的材料价带顶大部分来自于X-d轨道的贡献,位于Γ点;红色区域对应的材料价带顶大部分来自于Y-d轨道的贡献,位于L点。价带顶位于W点、Γ点和L点的代表性材料分别为NbRhSn、TiNiSn和TaFeSb。

图1  (a)原子轨道相图;(b)NbRhSn;(c)TiNiSn和(d)TaFeSb的能带结构

由于Γ点和L点价带顶的原子轨道分别来自于X-d和Y-d轨道的贡献,因此X和Y元素的变化可以改变Γ点和L点的能量差值,从而实现价带顶在Γ点和L点之间的变化。如图2所示,Γ点和L点之间的能量差与X和Y元素的化合价差有关。具体来说:X和Y的化合价差别大,则价带顶位于Γ点;差别小,则价带顶位于L点。

图2  Γ点和L点能量差与X和Y元素化合价差有关

相对于价带顶位于Γ点和L点的材料来说,价带顶位于W点的材料具有最高的能谷简并度(不考虑轨道简并)。而只有同时含有第IV族元素(例如Sn)和第IX族元素(例如Co)时,价带顶才位于W点;并且在所研究的价带顶位于W点的7种材料中,有6种材料的L点和W点的能量差在100 meV之内。因此可以通过元素替代来调控能量差实现能带收敛,提高能带简并度。

图3 价带顶位于W点的材料体系

未来展望

本工作依据价带顶附近的原子轨道成分将能带结构进行分类,不同的原子轨道成分对应不同的价带顶,并且根据元素的化合价可以判断价带顶的位置。该工作对于采用能带工程提高P型半赫斯勒材料的热电性能以及判断元素固溶对于半赫斯勒材料能带结构的影响等方面具有重要的科学意义。

作者简介

G.Jeffrey Snyder,美国西北大学材料系教授。主要研究材料的电学和热学性能,尤其是关于材料的热电性能,对热电领域的发展起到了指导性的作用;在能带工程和纳米工程方面,发展了有效的方法对材料的热电性能进行调控。目前发表400余篇论文,其中包括近20篇Nature、Science及子刊。从2016年至今,连续4年被评为高被引科学家。

致谢:感谢浙江大学方腾博士和朱铁军教授撰写本篇推荐文章。

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