导读
在能源转换材料领域，热电材料的研究一直是科学家们关注的热点。近期，上海交通大学材料科学与工程学院与中国科学院上海硅酸盐研究所、东莞散裂中子源科学中心、上海高压科学技术研究中心合作，在p型AB2Sb2化合物的能带结构调控和热电性能优化方面取得新进展。研究成果以“Exceptional thermoelectric performance in AB2Sb2-type Zintl phases through band shaping”为题，在线发表于国际著名学术期刊《Energy & Environmental Science》（DOI: 10.1039/d3ee04164f）上。2019级博士生雷景丹为该文章第一作者，赵琨鹏副教授和史迅教授/研究员为共同通讯作者。
能带整形提升AB2Sb2型Zintl相的热电性能
热电材料的性能优化是提高能源转换效率的关键。传统热电材料的性能受限于其内在的物理性质，如塞贝克系数、电导率和热导率等。AB2Sb2型Zintl相化合物因其优异的热电性能、低成本和无毒性等特点而备受关注。特别是，Mg3Sb2基材料因其高性能和潜在的应用前景而成为研究热点。
该工作提出了能带整形策略来大幅提升p型AB2Sb2热电材料的电输运性能。研究发现，在Mg3Sb2的Mg2位固溶Zn可以显著提升价带简并度Nv，而在Mg1位固溶Yb可以有效降低能谷有效质量，大幅提高了载流子迁移率。进一步掺杂Li优化载流子浓度后，材料的最大功率因子PF和性能优值zT值分别提高到15.9 μW cm-1 K-2和1.4（图1）。这一成果不仅在理论上提供了热电材料性能优化的新思路，也为实际应用奠定了基础。
图1. （a）Mg3Sb2中固溶Zn和Yb的晶体结构示意图和Γ点附近的价带结构示意图。（b）p型Mg3Sb2基材料在773 K时的功率因子PF和热电优值zT与Nv的关系图。
计算揭示能带整形策略有效性及优化可行性
本项研究的成功，得益于精巧的实验设计和精确的第一原理计算的紧密结合，这些计算通过“交我算”平台上“思源一号”集群使用VASP软件完成。研究团队采用了Perdew Burke Ernzerhof (PBE)泛函和广义梯度近似（GGA）方法来处理电子的交换和关联势能。构建了2×2×1超胞模型，对随机替代的合金结构（Mg12-2nZn2nSb8和Mg12-3nZn2nYbnSb8, n = 0, 1, 2, 3, 4）进行了全面的弛豫计算，直到力的收敛标准达到0.01 eV/Å。
为了精确描述价带结构，研究中还采用了改进的Becke-Johnson (mBJ)势能函数进行带结构计算。此外，考虑到自旋轨道耦合（SOC）效应对价带的显著影响，该研究通过SOC计算进一步精确了带隙和有效质量的预测。这些计算不仅揭示了能带整形策略的有效性，也证实了通过合金化和掺杂优化电输运性能的可行性。
图2. 能带结构计算结果
“交我算”加速科研成果产出
本研究的计算，依托于“交我算”平台上的“思源一号”集群的算力与服务支持。该研究使用VASP软件进行了大量的第一性原理计算，这些计算任务对计算资源的要求极高。“交我算”平台提供的高性能计算资源，为研究团队解决了大规模计算的难题，极大加速了研究进程。
论文致谢“交我算”高性能计算平台
结语
该工作证实了能带形状工程作为提升热电性能的有前景策略的有效性。通过在Mg3Sb2的Mg2位点合金化锌(Zn)和Mg1位点合金化镱(Yb)来展示了一种提高p型材料电传输性能的可行策略。锌合金化促进能带简并，而镱合金化减少了单带有效质量，这两者都大幅提升了载流子的传输。该研究工作证明了能带整形可有效提升载流子的输运能力和热电性能，为未来其它热电材料的设计和优化提供了新的思路和方法。上海交通大学“交我算”平台将继续为科研工作者提供强大的计算资源和技术支持，助力更多科研成果的诞生。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D3EE04164F
来源：上海交通大学材料科学与工程学院