Adv. Energy Mater.：利用能带设计提高α-MgAgSb热电性能

【引言】

在室温附近(300-500K)，具有优良热电性能的传统碲化铋合金仍具有不可替代的地位。但是碲元素极其稀缺，地壳储量仅为金元素的四分之一，甚至低于白金，难以大规模商业化应用。近来α-MgAgSb热电材料异军突起，其组成元素储量丰富，Ni掺杂的α-MgAgSb基热电材料ZT在525K可达1.4，能量转换率比目前商用的Bi₂Te₃还高，可达8.5%，作为新一代近室温热电材料成为研究热点。

【成果简介】

最近，中科院宁波材料所的刘国强研究员和蒋俊研究员（共同通讯作者）等人于Advanced Energy Materials上发表了文章“Improving Thermoelectric Performance of α-MgAgSb by Theoretical Band Engineering Design”，文章基于电子/声子结构和传输计算系统研究了α-MgAgSb的热电性能，通过对费米面的分析计算，提出了一种能带设计方法，并利用该方法成功预测了几种有效掺杂。该研究不仅证明了α-MgAgSb是一种很有发展潜力的P型热电材料，同时也为能带设计提供了一种可行的方法。

【图文导读】

图1. 能带结构

a) 用PBE和mBJ函数计算α-MgAgSb能带结构

b) 布里渊区电子袋

c) 布里渊区空穴袋

图2. 价带组成

a) α-MgAgSb总态密度和原子投影态密度

b) 价带顶的红色圆圈的大小表示Mg-s轨道的特征权重

c) 价带顶的绿色圆圈的大小表示Ag-d 轨道的特征权重

图3. Zn-掺杂和Pd掺杂α-MgAgSb能带结构和费米面

a) Zn掺杂α-MgAgSb能带结构和费米面

b) Pd掺杂α-MgAgSb能带结构和费米面

价带顶的红色圆圈和绿色圆圈的大小分别表示Zn-s 和 Pd-d轨道特征权重

图4. 声子传输特性

a) 声子色散关系

b) α-MgAgSb晶格热导率与温度关系图

渐变色和圆圈大小表示相应声子束的群速度

图5. 电子传输特性

a) α-MgAgSb室温下塞贝克系数S与载流子浓度的关系图，虚线为m* = 2.0 m₀的Pisarenko图

b) 不同载流子浓度和掺杂剂的α-MgAgSb的载流子弛豫时间

图6. ZT预测

a) 功率因子S²σ预测图

b) α-MgAgSb的ZT预测值与温度T载流子浓度n关系图

图中标注数字为实验值

图7. 热电性能的提高

a) 载流子浓度为2 × 1020 cm⁻³时的塞贝克系数

b) Zn掺杂、Pd掺杂和未掺杂α-MgAgSb的最优ZT值

c) Tc = 300 K时Zn掺杂、Pd掺杂和未掺杂α-MgAgSb的单臂转化效率η

d) Zn掺杂、Pd掺杂和未掺杂α-MgAgSb的热电自兼容因子，纳米结构的Bi₄Sb_1.6Te₃也在图中出现作为对比

【小结】

研究者通过对电子/声子结构和运输计算系统地研究了α-MgAgSb的热电性能，利用能带结构计算重现了α-MgAgSb的半导体特性，计算得到的带隙与实验测量结果一致，同时也证明了可以通过调整Mg-s或Ag-d轨道来进行能带工程。

文献链接：Improving Thermoelectric Performance of α-MgAgSb by Theoretical Band Engineering Design（Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201700076）

本文由材料人编辑部电子电工学术组zzzlx整理编译。

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