热电材料的低热导率研究取得新进展

（文/冯真真）

   近日，我室张永胜研究员课题组在热电材料低热导率研究中取得新进展，相关结果以“Dual effects of lone-pair electrons and rattling atoms in CuBiS₂ on its ultralow thermal conductivity”为题发表在物理评论B上(Physical Review B 96, 235205 (2017))。文章中部分图片被选为期刊当期封面图片。

热电材料可以实现热能和电能之间的相互转化，其转换效率可以用无量纲的ZT值来衡量，ZT=S²sT/κ，其中S、s和κ分别代表塞贝克系数、电导率和热导率。ZT值越大，热电转换效率越高。目前报道的热电材料转换效率较低，寻找具有较低热导率的材料是提高热电材料转换效率的一个重要方法。热导率与表征材料非简谐性参数(格林爱森常数γ)的关系为，γ越大热导率越低。矿石材料由于具有很低的热导率并且价格低廉而受到科研人员广泛关注，其中两种同构同型的矿石材料CuBiS₂和CuSbS₂的实验测量热导率值差别很大，室温下CuBiS₂的热导率(0.5 W/mK)仅为CuSbS₂(1.5 W/mK)的三分之一，因此探索影响材料低热导率的物理机制对设计和寻找新材料具有重要意义。

为此，张永胜研究员课题组科研人员采用密度泛函理论方法，研究了CuBiS₂相对于CuSbS₂具有较低热导率的物理机制。研究表明，CuBiS₂和CuSbS₂中的Bi和Sb原子都含有孤对电子，而孤对电子会导致材料有较强的非简谐性，进而两种材料都有较低的热导率。对于CuSbS₂材料而言，Sb位的孤对电子是导致其具有较大格林爱森常数的主要原因；而对于CuBiS₂，除了Bi位的孤对电子，Cu原子的近自由振动行为会进一步增大材料的格林爱森常数，这种孤对电子和原子振动的协同作用导致CuBiS₂相对于CuSbS₂具有更低的热导率。相关研究表明孤对电子和原子振动的协同效应对声子非简谐性有着重要影响，也为寻求和设计具有超低热导率和高效率的新型热电材料提供了新的思路。

以上研究得到了国家自然科学基金项目和中科院超算中心合肥分中心的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.235205

      图1. Physical Review B 期刊当期封面图片。

   图2. (a) CuBiS₂在(101)方向的电子局域函数(ELF)图；(b) CuBiS₂的格林爱森常数图。

       图3. (a) CuBiS₂的原子势能变化图；(b) CuSbS₂和CuBiS₂的热导率图。