近期，中科院合肥研究院固體所張永勝研究員課題組在理論計算和解釋新型熱電材料（Pyrite型ZnSe₂）的物理機制方面取得新進展。該工作通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程，理論計算發現Pyrite型ZnSe₂具有良好的熱電性質；并基于對材料中原子成鍵情況和聲子振動性質的分析，解釋了其具有低晶格熱導率的物理機制。相關結果以“Localized dimers drive strong anharmonicity and low lattice thermal conductivity in ZnSe₂”為題發表在Physical Review B上。 

　　理解高性能熱電材料中的物理機制是尋找、設計和優化材料熱電性質的基礎。張永勝課題組已經通過高通量方法發現Pyrite型ZnSe₂是潛在高性能熱電材料，并且發現其是由廣泛存在的廉價元素組成的立方晶體。但是其中的物理機理并沒有得到詳細的分析研究。利用更精確的理論計算方法驗證該材料的良好熱電性能并解釋其中的物理機制，可以幫助拓展熱電材料的種類并豐富現有的熱電理論。 

　　在該研究中，張永勝研究員課題組通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程的方法詳細計算了Pyrite型ZnSe₂的熱學和電學輸運性質，并得到了其在不同溫度和載流子濃度下的熱電性能。他們詳細分析了Pyrite型ZnSe₂中的原子成鍵情況和聲子振動性質，發現材料中存在著強共價鍵結合的局域Se-Se二聚體，且該二聚體的存在可以使得ZnSe₂中Zn原子具有類rattling原子的性質，從而導致由Zn原子繞Se-Se二聚體旋轉所形成的低頻光學聲子具有非常強的非簡諧效應，這種強的非簡諧效應使該材料具有極低的晶格熱導率。在電子結構方面，他們發現ZnSe₂的價帶頂和導帶底都具有復雜的費米面，這使其具有良好的電學性能。ZnSe₂具有的極低晶格熱導率和良好電學輸運性質，使其在p型和n型摻雜下，使決定熱電材料性能的重要參數—熱電優值最大可以分別達到2.21和1.87。該工作表明可以通過尋找那些含有類似二聚體或三聚體局域結構的材料作為潛在的新型高性能熱電材料，為未來的實驗和理論研究提供指導和參考。 

　　上述工作得到了國家自然科學基金資助。 

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.125204