近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所研究員張永勝課題組在理論計算和解釋新型熱電材料（Pyrite型ZnSe₂）的物理機制研究中取得新進展。該研究通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程，理論計算發(fā)現(xiàn)Pyrite型ZnSe₂具有良好的熱電性質(zhì)；基于對材料中原子成鍵情況和聲子振動性質(zhì)的分析，解釋其具有低晶格熱導率的物理機制。相關(guān)研究結(jié)果以Localized dimers drive strong anharmonicity and low lattice thermal conductivity in ZnSe₂為題，發(fā)表在Physical Review B上。

理解高性能熱電材料中的物理機制是尋找、設(shè)計和優(yōu)化材料熱電性質(zhì)的基礎(chǔ)。張永勝課題組已通過高通量方法發(fā)現(xiàn)Pyrite型ZnSe₂是潛在高性能熱電材料，并發(fā)現(xiàn)其是由廣泛存在的廉價元素組成的立方晶體。然而，其中的物理機理并未得到詳細的分析研究。利用更精確的理論計算方法驗證該材料的良好熱電性能并解釋其中的物理機制，可以幫助拓展熱電材料的種類并豐富現(xiàn)有的熱電理論。

研究中，張永勝研究員課題組通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程的方法詳細計算Pyrite型ZnSe₂的熱學和電學輸運性質(zhì)，并得到其在不同溫度和載流子濃度下的熱電性能。研究分析了Pyrite型ZnSe₂中的原子成鍵情況和聲子振動性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)材料中存在著強共價鍵結(jié)合的局域Se-Se二聚體，且該二聚體的存在可以使得ZnSe₂中Zn原子具有類rattling原子的性質(zhì)，從而導致由Zn原子繞Se-Se二聚體旋轉(zhuǎn)所形成的低頻光學聲子具有非常強的非簡諧效應(yīng)，這種強的非簡諧效應(yīng)使該材料具有極低的晶格熱導率。在電子結(jié)構(gòu)方面，研究發(fā)現(xiàn)ZnSe₂的價帶頂和導帶底都具有復雜的費米面，這使其具有良好的電學性能。ZnSe₂具有的極低晶格熱導率和良好電學輸運性質(zhì)，使其在p型和n型摻雜下，使決定熱電材料性能的重要參數(shù)——熱電優(yōu)值最大可以分別達到2.21和1.87。該研究表明可以通過尋找含有類似二聚體或三聚體局域結(jié)構(gòu)的材料作為潛在的新型高性能熱電材料，為未來的實驗和理論研究提供指導和參考。

研究工作得到國家自然科學基金的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.102.125204

圖1.Pyrite型ZnSe₂的晶體結(jié)構(gòu)和Se-Se二聚體上的局域電荷分布情況

圖2.ZnSe₂在不同溫度和載流子濃度下ZT值

圖3.Zn原子繞Se-Se二聚體的旋轉(zhuǎn)對低頻光學聲子的貢獻情況