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據悉， 中國科學院合肥科學研究院 固體物理研究所物質計算科學研究室研究員張永勝課題組在熱電材料低熱導率研究中取得新進展。

熱電材料可以實現熱能和電能之間的相互轉化， 其 轉換效率可以用無量綱的 ZT 值 來衡量， ZT=S 2s T/κ ， 其中 S 、 s 和 κ 分別代表塞貝克系數、電導率和熱導率。 ZT 值越大，熱電轉換效率越高 。目前 報道的 熱電材料 轉換效率較低， 尋找具有較低熱導率的材料是提高熱電材料轉換效率的一個重要方法。熱導率與表征材料 非簡諧性 參數 ( 格林愛森常數 γ) 的 關系為：

γ越大， 熱導率越低 。 礦石材料由于具有很低的熱導率且價格低廉，而受到科研人員廣泛關注，其中兩種同構同型的礦石材料 CuBiS 2 和 CuSbS 2 的實驗測量熱導率值差別很大，室溫下 CuBiS 2 的熱導率 ( 0.5W/mK ) 僅為 CuSbS 2 ( 1.5W/mK ) 的1/3，因此探索影響材料低熱導率的物理機制對設計和尋找新材料具有重要意義。

據此， 張永勝 課題組采用密度泛函理論方法，研究了 CuBiS 2 相對于 CuSbS 2 具有 較 低熱導率的物理機制。研究表明， CuBiS 2 和 CuSbS 2 中 的 Bi 和 Sb 原子都含有孤對電子 ， 而孤對電子會導致材料有較強的非簡諧性，因而兩種材料都有較低的熱導率。 對 CuSbS 2 材料而言， Sb 位的孤對電子是導致其具有較大格林愛森常數的主要原因 ； 而在 CuBiS 2 中，除了 Bi 位的孤對電子， Cu 原子的近自由振動行為會進一步增大材料的格林愛森常數，這種孤對電子和原子振動的協同作用導致 CuBiS 2 相對于 CuSbS 2 具有 更低的熱導率 。 相關研究表明， 孤對電子和原子振動的協同效應對聲子非簡諧性有著重要影響 ，也為尋求和設計具有超低熱導率和高效率的新型熱電材料提供了新的思路。

相關研究成果發表在 Physical Review B 上， 該研究得到了國家自然科學基金、中科院超算中心合肥分中心的資助。

圖1 .（a） CuBiS 2 在 ( 101) 方向的電子 局域函數 ( ELF) 圖；（ b） CuBiS 2 的 格林愛森常數 圖

圖 2.（a） CuBiS 2 的原子勢能變化 圖 ；（ b）CuSbS 2和 CuBiS 2 的 熱導率圖