近日，固體所物質計算科學研究室張永勝研究員課題組在表征half-Heusler材料中rattling效應對熱導率影響的研究取得新進展，相關結果以“Characterization of rattling in relation to thermal conductivity: Ordered half-Heusler semiconductors”為題發表在《物理評論B》 上。

　　熱電材料轉換效率可以用無量綱的ZT值來衡量，ZT=S²sT/κ，其中S、s和κ分別代表塞貝克系數、電導率和熱導率。在熱電材料研究中，理解和分析影響半導體熱學性能的因素非常重要，可為降低材料晶格熱導率或開發具有低晶格熱導率的材料提供理論依據。聲子玻璃-電子晶體(PGEC) 概念指出：高性能的熱電材料應該具有像玻璃一樣低的熱導率，并且具有像晶體一樣高的電導率；而這要求材料具有相互獨立的電學和熱學輸運網格。一般來講，含有rattling (近自由振動) 原子的框架材料會表現出上述類似的PGEC特性。圍繞這個概念，很多復雜的新型化合物被研究，例如籠狀物clathrates和填充方鈷礦材料。近年來，Half-Heusler (HH)  化合物因具有優異的電學性能、強的機械性能以及好的熱力學穩定性而備受關注。從晶體結構上來看，它含有三個相互嵌套的面心立方子結構，可以看作是一個填充的閃鋅礦晶體結構。如果其中一個原子和周圍的近鄰間的結合較弱，就易于在面心立方格子中振動，表現出rattling行為，可以有效地散射聲子，降低熱導率。在這種獨特的結構中，研究其rattling振動行為對熱導率影響，對于設計尋找具有低熱導率的HH材料具有重要的意義。

　　為此，張永勝研究員課題組科研人員基于密度泛函理論方法的聲子計算，研究了half-Heusler材料中的rattling振動行為對熱導率的影響。發現熱導率不僅與材料的平均聲子頻率具有正相關性，與原子間的平均有效彈簧常數也具有良好的正相關性。進一步，他們構造了兩個能簡潔度量熱導率的參數：三個原子中最小平均聲子角頻率與最大聲子角頻率的比值 (ω_min/ω_max)  和最低有效彈簧常數與最高有效彈簧常數的比值( k_min/k_max) 。計算結果顯示，ω_min/ω_max的值越小，原子間成鍵越弱；k_min/k_max的值越小，rattling頻率越低。通過該計算方法可簡單有效地確定具有低晶格熱導率的材料，并有助于理解材料中的rattling振動與晶格熱導率低的關系，為篩選潛在的低熱導率的材料提供一個新的思路。

　　以上研究得到了國家自然科學基金項目和中科院超算中心合肥分中心的資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.064301

圖1. Half-Heusler化合物的晶體結構示意圖。

圖 2. (a) 最小與最大有效彈簧常數比值與熱導率的關系；(b) 最小與最大聲子角頻率與熱導率的關系；

(c) 每個原子的彈簧常數與平均有效位移的平方的關系；(d) 四種具有較低晶格熱導率材料的聲子頻率與聲子的非諧散射率的關系。