近期，中科院合肥研究院固體所張永勝研究員課題組在研究三種Pyrite型IIB-VIA2（ZnS2，CdS2和CdSe2）過(guò)渡金屬二硫化物的熱電性能方面取得新進(jìn)展。該工作通過(guò)計(jì)算分析了三種不同Pyrite型二元硫化物的熱學(xué)和電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)它們均具有良好的熱電性能；并分析了與原子成鍵、晶格振動(dòng)和電子結(jié)構(gòu)分布間的熱電趨勢(shì)。相關(guān)結(jié)果以“Chemical trends in the high thermoelectric performance of the pyrite-type dichalcogenides ZnS2 CdS2 and CdSe2”為題發(fā)表在 Physical Review B（2022，DOI: 10.1103/PhysRevB.105.245203）上。

  探索高性能熱電材料的物理機(jī)制是尋找、優(yōu)化和設(shè)計(jì)良好熱電材料的基礎(chǔ)。前期張永勝研究員課題組已通過(guò)高通量計(jì)算發(fā)現(xiàn)了多種Pyrite型IIB-VIA2化合物是潛在高性能熱電材料。在本研究中，該課題組利用理論計(jì)算方法進(jìn)一步解釋了其中的物理機(jī)制并探索了其中可能存在的熱電趨勢(shì)，驗(yàn)證了三種Pyrite型IIB-VIA2化合物的良好熱電性能并對(duì)比分析了它們的聲子和電子性質(zhì)。

  在熱學(xué)輸運(yùn)方面，他們發(fā)現(xiàn)這三種Pyrite型化合物均具有低的晶格熱導(dǎo)率（室溫下，可以低至2 W/mK以下）。這是由于它們含有成鍵弱的具有類rattling效應(yīng)的金屬原子和成鍵強(qiáng)的非金屬二聚體，這些金屬原子的存在導(dǎo)致了化合物具有大量軟的聲子模式，此外所有原子沿垂直于非金屬二聚體的振動(dòng)導(dǎo)致了強(qiáng)的非簡(jiǎn)諧效應(yīng)。在軟的聲子模式和強(qiáng)的非簡(jiǎn)諧效應(yīng)的共同作用下，這些Pyrite型化合物均表現(xiàn)出了低的晶格熱導(dǎo)率。進(jìn)一步對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，體系中更重的原子質(zhì)量、更大的原子位移參數(shù)和更長(zhǎng)的原子間鍵長(zhǎng)，有利于化合物具有更軟的聲子模式和更強(qiáng)的非簡(jiǎn)諧效應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致化合物具有更低的晶格熱導(dǎo)率。

  在電學(xué)輸運(yùn)方面，他們發(fā)現(xiàn)這三種Pyrite型化合物都具有高的功率因子（室溫下，均可以高于5.0 mW/mK2）。這來(lái)源于體系復(fù)雜的費(fèi)米面結(jié)構(gòu)使它們?cè)趦r(jià)帶頂和導(dǎo)帶底同時(shí)具有大的態(tài)密度有效質(zhì)量和小的電導(dǎo)率有效質(zhì)量，保證了它們的大的Seebeck系數(shù)和高的電導(dǎo)率。結(jié)合它們低的晶格熱導(dǎo)率和高的功率因子，這三種Pyrite型化合物均可以表現(xiàn)出良好的熱電性能（室溫下，熱電優(yōu)值（ZT值）均可以大于0.5）。

  該工作詳細(xì)論證了三種Pyrite型IIB-VIA2（ZnS2，CdS2和CdSe2）過(guò)渡金屬二硫化物的良好熱電性能，并分析總結(jié)了其中的物理機(jī)制和熱電趨勢(shì)，可以為未來(lái)實(shí)驗(yàn)和理論上尋找和優(yōu)化含有類似類rattling效應(yīng)的金屬原子和強(qiáng)非金屬二聚體的高性能熱電材料的研究提供參考。

  上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和博士后面上基金的資助。

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圖1. Pyrite型化合物的晶體結(jié)構(gòu)（a）和相應(yīng)的布里淵區(qū)（b）。

圖2. 三種Pyrite型化合物中不同原子貢獻(xiàn)的聲子態(tài)密度（PDOS）（a），強(qiáng)的非金屬二聚體上的局域電荷分布情況（b）和具有類rattling效應(yīng)的金屬原子的原子位移參數(shù)（ADP）在不同溫度下的變化情況（c）。

圖3. 室溫下，三種Pyrite型化合物在不同載流子濃度下的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)（PF）（a）和熱電優(yōu)值（ZT）（b）。