中国粉体网讯 近期，中科院合肥研究院固体所计算物理与量子材料研究部张永胜研究员课题组在调控 Half-Heusler (HH) 热电材料导带简并研究方面取得新进展，通过分析带边的轨道特征为后续提升HH的热电性能提供了新思路。相关研究结果发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A, 2022, DOI: 10.1039/D1TA09377K)上。
具有半导体特性的HH 化合物(化学式为XYZ)由于优异的电子性质、稳定性等特点，作为良好的热电材料备受关注。其电子性质主要得益于高能带简并度(Nv)，尤其是价带通常位于布里渊区的多个高对称点(NvL=4, NvW=6)，因而p型能带简并的调控得到广泛研究。导带通常只位于X点(NvX=3)，一般认为很难进行n型能带简并，所以目前关于n型能带简并的研究较少。
为此，张永胜研究员课题组从轨道贡献的角度出发，通过研究69种HH化合物的轨道相图发现，虽然HH的导带底大多位于X点，但具有轨道多样性(图1)：一类导带底主要来源于X原子的d轨道(能量EX2)，另一类由Y元素的d轨道贡献(能量EX3)，EX2和EX3的能量很接近时可视为能带简并(NbX=6)。此外，分析发现EX2和EX3的能量差与X和Y原子的价电子数差以及电负性差成线性关系(图2)，可以通过混合EX2和EX3能量差相反的体系实现导带简并。基于此，研究人员选择了VCoSn (EX2-EX3=0.3 eV)和TaCoSn (EX2-EX3=-0.36 eV)进行混合，当混合比例为0.5时，两类X点发生简并，成功验证了轨道相图的结果。该研究工作表明通过分析轨道贡献可以为调控能带简并、优化和设计高效 Half-Heusler 热电材料提供新思路。
以上研究得到了国家自然科学基金项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D1TA09377K。
图1. (a) 69种HH化合物的导带轨道相图。圆圈大小代表900 K下载流子浓度为1020 cm-3时n型电导率有效质量的大小；两类导带底都位于X点，(b)一类像ZrNiSn主要来源于Y原子的d轨道(最低点能量为EX3，绿色球形)，(c)一类像NbFeSb主要由X原子的d轨道贡献(最低点能量为EX2，红色球形)；(d) 两类带边相近(小于几个kBT)时，能带简并度为6(NbX=6)。
图2. 两类导带能量差(EX3和EX2)随Y和X原子的价电子差以及电负性差（颜色）变化的关系图。
图3. (a)VCoSn和(b)TaCoSn的投影能带结构图；(c)V0.5Ta0.5CoSn的反折叠能带图；(d)两类导带(X2和X3)能量差随掺杂组分变化示意图。
（中国粉体网编辑整理/星耀）
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