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據(jù)悉， 中國科學(xué)院合肥科學(xué)研究院 固體物理研究所物質(zhì)計算科學(xué)研究室研究員張永勝課題組在熱電材料低熱導(dǎo)率研究中取得新進(jìn)展。

熱電材料可以實現(xiàn)熱能和電能之間的相互轉(zhuǎn)化， 其 轉(zhuǎn)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(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。 ZT 值越大，熱電轉(zhuǎn)換效率越高 。目前 報道的 熱電材料 轉(zhuǎn)換效率較低， 尋找具有較低熱導(dǎo)率的材料是提高熱電材料轉(zhuǎn)換效率的一個重要方法。熱導(dǎo)率與表征材料 非簡諧性 參數(shù) ( 格林愛森常數(shù) γ) 的 關(guān)系為：

γ越大， 熱導(dǎo)率越低 。 礦石材料由于具有很低的熱導(dǎo)率且價格低廉，而受到科研人員廣泛關(guān)注，其中兩種同構(gòu)同型的礦石材料 CuBiS 2 和 CuSbS 2 的實驗測量熱導(dǎo)率值差別很大，室溫下 CuBiS 2 的熱導(dǎo)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(dǎo)率的物理機(jī)制對設(shè)計和尋找新材料具有重要意義。

據(jù)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(dǎo)率的物理機(jī)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(dǎo)致材料有較強(qiáng)的非簡諧性，因而兩種材料都有較低的熱導(dǎo)率。 對 CuSbS 2 材料而言， Sb 位的孤對電子是導(dǎo)致其具有較大格林愛森常數(shù)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(jìn)一步增大材料的格林愛森常數(shù)，這種孤對電子和原子振動的協(xié)同作用導(dǎo)致 CuBiS 2 相對于 CuSbS 2 具有 更低的熱導(dǎo)率 。 相關(guān)研究表明， 孤對電子和原子振動的協(xié)同效應(yīng)對聲子非簡諧性有著重要影響 ，也為尋求和設(shè)計具有超低熱導(dǎo)率和高效率的新型熱電材料提供了新的思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在 Physical Review B 上， 該研究得到了國家自然科學(xué)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(shù) ( ELF) 圖；（ b） CuBiS 2 的 格林愛森常數(shù) 圖

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