调控Half-Heusler热电材料导带简并研究取得新进展
(文/郭淑萍)
近期，我研究部张永胜研究员课题组在调控 Half-Heusler (HH) 热电材料导带简并研究方面取得新进展，通过分析带边的轨道特征为后续提升HH的热电性能提供了新思路。相关研究结果发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2022, DOI: 10.1039/D1TA09377K)上。
具有半导体特性的HH 化合物(化学式为XYZ)由于优异的电子性质、稳定性等特点，作为良好的热电材料备受关注。其电子性质主要得益于高能带简并度(Nv)，尤其是价带通常位于布里渊区的多个高对称点(NvL=4, NvW=6)，因而p型能带简并的调控得到广泛研究。导带通常只位于X点(NvX=3)，一般认为很难进行n型能带简并，所以目前关于n型能带简并的研究较少。
为此，张永胜研究员课题组从轨道贡献的角度出发，通过研究69种HH化合物的轨道相图发现，虽然HH的导带底大多位于X点，但具有轨道多样性(图1)：一类导带底主要来源于X原子的d轨道(能量EX2)，另一类由Y元素的d轨道贡献(能量EX3)，EX2和EX3的能量很接近时可视为能带简并(NbX=6)。此外，分析发现EX2和EX3的能量差与X和Y原子的价电子数差以及电负性差成线性关系(图2)，可以通过混合EX2和EX3能量差相反的体系实现导带简并。基于此，研究人员选择了VCoSn (EX2-EX3=0.3 eV)和TaCoSn (EX2-EX3=-0.36 eV)进行混合，当混合比例为0.5时，两类X点发生简并，成功验证了轨道相图的结果。该研究工作表明通过分析轨道贡献可以为调控能带简并、优化和设计高效 Half-Heusler 热电材料提供新思路。
以上研究得到了国家自然科学基金项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D1TA09377K。
图1. (a) 69种HH化合物的导带轨道相图。圆圈大小代表900 K下载流子浓度为1020 cm-3时n型电导率有效质量的大小；两类导带底都位于X点，(b)一类像ZrNiSn主要来源于Y原子的d轨道(最低点能量为EX3，绿色球形)，(c)一类像NbFeSb主要由X原子的d轨道贡献(最低点能量为EX2，红色球形)；(d) 两类带边相近(小于几个kBT)时，能带简并度为6(NbX=6)。
图2. 两类导带能量差(EX3和EX2)随Y和X原子的价电子差以及电负性差（颜色）变化的关系图。
图3. (a)VCoSn和(b)TaCoSn的投影能带结构图；(c)V0.5Ta0.5CoSn的反折叠能带图；(d)两类导带(X2和X3)能量差随掺杂组分变化示意图。
