材料系能源材料课题组赵新兵教授和朱铁军教授指导的博士生谢涵卉、刘晓华在新型热电材料电子和声子输运机制方面的研究取得重要进展，相关成果已分别在国际著名学术期刊Adv. Funct. Mater.和Adv. Energy Mater.上在线发表。
热电材料是一种能实现热-电直接相互转化的能源材料，对其电声输运特性的理解是开发或改善热电材料性能的前提。Half-Heusler合金是一类物理性能丰富的材料体系，在热电、磁性材料及拓扑绝缘体等多个领域都有着广阔的应用前景，近年来在高温发电领域尤其受到越来越多的关注，但对其热电输运的机制还缺乏深入系统的理解。谢涵卉博士生的工作结合实验表征和物理建模，对具有代表性的ZrNiSn基half-Heusler合金的电声输运进行了深入系统的分析，发现该体系固溶体中电荷输运以合金散射为主导，而不是常见的声学声子散射机制。同时该体系低的变形势和合金散射势是具有高电功率因子的原因。其声子输运则主要以Umklapp过程和点缺陷散射为主。相关论文“Beneficial contribution of alloy disorder to electron and phonon transport in half-Heusler thermoelectric materials”于5月1日在线发表在Adv. Funct. Mater上。
图1、ZrNiSn中各散射机制声子弛豫时间 图2、Mg2Si0.45Sn0.55的迁移率与载流子浓度
和频率的计算关系。 的关系，以及理论计算的结果。
和频率的计算关系。 的关系，以及理论计算的结果。
Mg2(Si,Sn)固溶体则是近年来广受关注的高性能中温区热电材料。通过合理调节Si/Sn比，可显著降低材料的晶格热导率。当Si含量在40%左右时，Mg2(Si,Sn)固溶体的导带出现能带收敛(band convergence)现象，使得Seebeck系数显著增加。一般认为，能带收敛和热导率降低是该体系具有高热电性能的原因。然而，能带收敛导致态密度有效质量增加，往往会降低电子迁移率。刘晓华博士生采用单椭球带模型（SPB）对Mg2Si0.45Sn0.55固溶体电输运性能进行了深入分析，通过Pisarenko图确认了态密度有效质量的增加，验证了能带收敛的存在。同时发现该体系低的变形势和合金散射势补偿了有效质量增加所引起的迁移率下降，也是Mg2(Si,Sn)固溶体具有高热电性能的主要物理机制之一。相关论文“Low electron scattering potentials in high performance Mg2Si0.45Sn0.55 based thermoelectric solid solutions with band convergence”于5月1日在线发表在Adv. Energy Mater.上。
相关工作得到了国家科技部973计划，国家自然科学基金，教育部新世纪优秀人才以及硅材料国家重点实验室的资助。部分实验测试工作由朱铁军教授在加州理工学院访问（国家留学基金委资助）时完成。
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