近日，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所研究員張永勝課題組在三種Pyrite型IIB-VIA₂（ZnS₂、CdS₂和CdSe₂）過渡金屬二硫化物的熱電性能研究方面取得新進展。該研究計算分析了三種不同Pyrite型二元硫化物的熱學和電學輸運性質，發(fā)現(xiàn)它們均具有良好的熱電性能；分析了與原子成鍵、晶格振動和電子結構分布間的熱電趨勢。相關研究成果發(fā)表在Physical Review B上。 

　　探索高性能熱電材料的物理機制是尋找、優(yōu)化和設計良好熱電材料的基礎。前期，張永勝課題組通過高通量計算發(fā)現(xiàn)了多種Pyrite型IIB-VIA₂化合物是潛在高性能熱電材料。本研究中，課題組利用理論計算方法進一步解釋了其中的物理機制并探索了其中可能存在的熱電趨勢，驗證了三種Pyrite型IIB-VIA₂化合物的良好熱電性能并對比分析了它們的聲子和電子性質。 

　　在熱學輸運方面，研究發(fā)現(xiàn)這三種Pyrite型化合物均具有低的晶格熱導率（室溫下，可低至2 W/mK以下）。這是由于它們含有成鍵弱的具有類rattling效應的金屬原子和成鍵強的非金屬二聚體，這些金屬原子導致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導致強的非簡諧效應。在軟的聲子模式和強的非簡諧效應的共同作用下，這些Pyrite型化合物均表現(xiàn)出低的晶格熱導率。進一步對比研究發(fā)現(xiàn)，體系中更重的原子質量、更大的原子位移參數(shù)和更長的原子間鍵長，有利于化合物具有更軟的聲子模式和更強的非簡諧效應，導致化合物具有更低的晶格熱導率。 

　　在電學輸運方面，研究顯示這三種Pyrite型化合物都具有高的功率因子（室溫下，均可高于5.0 mW/mK²）。這來源于體系復雜的費米面結構使它們在價帶頂和導帶底同時具有大的態(tài)密度有效質量和小的電導率有效質量，保證了它們的大的Seebeck系數(shù)和高的電導率。結合它們的低的晶格熱導率和高的功率因子，這三種Pyrite型化合物均可表現(xiàn)出良好的熱電性能【室溫下，熱電優(yōu)值（ZT值）均可大于0.5】。 

　　該研究論證了三種Pyrite型IIB-VIA₂（ZnS₂、CdS₂和CdSe₂）過渡金屬二硫化物的良好熱電性能，并分析總結了其中的物理機制和熱電趨勢，可為未來實驗和理論上尋找和優(yōu)化含有類似類rattling效應的金屬原子和強非金屬二聚體的高性能熱電材料的研究提供參考。 

　　研究工作得到國家自然科學基金和中國博士后科學基金的支持。 

　　論文鏈接 

　　圖1.Pyrite型化合物的晶體結構（a）和相應的布里淵區(qū)（b） 

　　圖2.三種Pyrite型化合物中不同原子貢獻的聲子態(tài)密度（PDOS）（a），強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輸運性質（PF）（a）和熱電優(yōu)值（ZT）（b）