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近室温热电材料α-MgAgSb低热导机制的中子散射研究获进展

2020-02-28 物理研究所
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  热电材料可以实现热能和电能的相互转换,在温差热发电、固态制冷及低温下稳定工作的太空卫星制冷器等方面拥有巨大的应用市场。尽管对热电效应的研究始于19世纪20年代初期,但商业化的热电器件能量转化效率长期以来达不到实际应用能量转化效率不小于10%的需求,主要原因是传统热电材料品质因数ZT值较低。

  α-MgAgSb-基热电材料具有近室温高品质因数(450 - 550 K:ZT ~1.4),成为重要的高热电性能材料。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心北京散裂中子源靶站谱仪工程中心研究员王芳卫指导博士生李西阳,联合物理所研究员赵怀周,中国散裂中子源研究员王保田、博士刘鹏飞,香港城市大学教授王循理及美国休斯顿大学教授任志峰等合作者,利用中子散射与第一性原理计算,对α-MgAgSb材料的低热导机制进行了深入研究。中子全散射的对分布函数(PDF)分析发现材料中存在Mg-Sb构成的NaCl型晶格的局域结构畸变(图1)。高分辨非弹性中子散射发现了新奇的双蘑菇散射声子态密度,然而并没有测量到横声学声子,第一性原理计算显示α-MgAgSb中横声学支声子被局域结构畸变近乎完全散射(图2)。此外,对比变温高分辨中子散射测得的声子态密度随温度升高的软化率与晶格热膨胀造成的声子软化率,发现前者是后者的近2倍,存在显著的声子非谐效应(图3)。

  以上研究表明,α-MgAgSb低晶格热导是局域结构畸变导致强横声学支声子散射和声子非谐效应的结果,从材料精细晶体结构和原子动力学的微观层面上揭示了α-MgAgSb具有低热导的物理机制,对开发新型高性能热电材料具有重要指导意义。相关工作在《自然-通讯》(Nature Communications,DOI: 10.1038/s41467-020-14772-5)在线发表,得到国家自然科学基金(11675255, 51571170)、科技部国家重点研发计划(2016YFA0401503, 2016YFA0401501, 2018YFA0702100)、香港裘槎基金(9500034)、松山湖材料实验室中子平台经费和英国牛顿基金中国项目等的资助。中子散射实验得到中国散裂中子源CSNS、英国散裂中子源ISIS、澳大利亚中子源ANSTO和日本散裂中子源J-PARC的支持。

  论文链接

图1:中子全散射结合对分布函数分析方法研究α-MgAgSb中的Mg-Sb畸变结构。

    图2: 局域结构畸变对横声学支声子的压制。a, b. 高分辨非弹性中子散射测得的声子态密度数据显示几乎未测量到横声学支声子。c, d. 第一性原理计算得到的局域结构畸变MgAgSb(横声学支声子被压制)和无局域结构畸变MgAgSb(存在横声学支声子)对应的含中子散射比重的声子态密度数据。

图3: 高分辨非弹性中子散射测得的随温度升高造成的声子软化。

打印 责任编辑:叶瑞优

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