理论探索Pyrite型ZnSe2热电性能的物理机制取得新进展

(文/贾甜甜)

近期，我研究部张永胜研究员课题组在理论计算和解释新型热电材料（Pyrite型ZnSe₂）的物理机制方面取得新进展。该工作通过求解声子和电子玻尔兹曼输运方程，理论计算发现Pyrite型ZnSe₂具有良好的热电性质；并基于对材料中原子成键情况和声子振动性质的分析，解释了其具有低晶格热导率的物理机制。相关结果以“Localized dimers drive strong anharmonicity and low lattice thermal conductivity in ZnSe₂”为题发表在 Physical Review B（2020，DOI: 10.1103/PhysRevB.102.125204）上。

理解高性能热电材料中的物理机制是寻找、设计和优化材料热电性质的基础。张永胜研究员课题组已经通过高通量方法发现Pyrite型ZnSe₂是潜在高性能热电材料，并且发现其是由广泛存在的廉价元素组成的立方晶体。但是其中的物理机理并没有得到详细的分析研究。利用更精确的理论计算方法验证该材料的良好热电性能并解释其中的物理机制，可以帮助拓展热电材料的种类并丰富现有的热电理论。

在该研究中，张永胜研究员课题组通过求解声子和电子玻尔兹曼输运方程的方法详细计算了Pyrite型ZnSe₂的热学和电学输运性质，并得到了其在不同温度和载流子浓度下的热电性能。他们详细分析了Pyrite型ZnSe₂中的原子成键情况和声子振动性质，发现材料中存在着强共价键结合的局域Se-Se二聚体，且该二聚体的存在可以使得ZnSe₂中Zn原子具有类rattling原子的性质，从而导致由Zn原子绕Se-Se二聚体旋转所形成的低频光学声子具有非常强的非简谐效应，这种强的非简谐效应使该材料具有极低的晶格热导率。在电子结构方面，他们发现ZnSe₂的价带顶和导带底都具有复杂的费米面，这使其具有良好的电学性能。ZnSe₂具有的极低晶格热导率和良好电学输运性质，使其在p型和n型掺杂下的最大ZT值可以分别达到2.21和1.87。该工作表明可以通过寻找那些含有类似二聚体或三聚体局域结构的材料作为潜在的新型高性能热电材料，为未来的实验和理论研究提供指导和参考。

上述工作得到了国家自然科学的基金资助。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.125204

图1. Pyrite型ZnSe₂的晶体结构和Se-Se二聚体上的局域电荷分布情况。

图2. ZnSe₂在不同温度和载流子浓度下ZT值。

图3. Zn原子绕Se-Se二聚体的旋转对低频光学声子的贡献情况。