Forskning afslører Rubiks kubelignende Heusler-materialer med potentiale til termoelektriske applikationer

Forskere fra Hefei Institutes of Physical Science ved det kinesiske videnskabsakademi har designet Slater-Pauling (S-P) Heusler materialer med en unik struktur, der ligner en Rubiks terning. Disse materialer udviser halvlederlignende egenskaber og har potentiale i termoelektriske applikationer.

"I traditionelle halvleder Heusler-legeringer følger antallet af valenselektroner en specifik regel. Disse S-P Heusler-forbindelser trodser imidlertid denne regel, mens de stadig viser halvlederadfærd," sagde Ti Zhuoyang, førsteforfatter af undersøgelsen, "vi forklarede de underliggende årsager til disse fænomener i denne undersøgelse."

Resultaterne blev offentliggjort i Physical Review B .

Nogle Heusler-forbindelser uden for støkiometri er blevet forudsagt at udvise halvlederegenskaber. Imidlertid er bindingsadfærden i disse S-P-halvledere og forholdet mellem deres krystalstruktur og termoelektriske ydeevne forblevet uklar.

I denne undersøgelse fokuserede holdet på to Heusler-systemer:Ti-Fe-Sb og M-Co-Sn (M =Ti, Zr, Hf). Inden for disse to systemer forudsagde de den termodynamisk stabile TiFe_1.5 Sb og MCo_1.33 Sn S-P halvledere.

Forskerne forklarede yderligere årsagen til disse forbindelsers unikke egenskaber.

Ved at grave dybere forklarede forskerne disse forbindelsers unikke egenskaber. Ud over de kendte halv-Heusler (HH) og fuld-Heusler (FH) lokale geometrier, indeholder disse S-P strukturer defekte-HH (DH) og defekte-FH (DF) understrukturer. Dette skyldes den delvise besættelse af Y-atomer (Fe eller Co) på 4d Wyckoff-stedet.

En spændende konsekvens af dette er dannelsen af ​​anden- og tredjeordens Rubiks terningmønstre i TiFe_1.5 Sb og MCo_1.33 Sn, tilskrives den regelmæssige stabling af disse understrukturer.

Dette unikke arrangement er nøglen til omfordelingen af ​​elektroner i gitteret, hvilket fører til dannelsen af ​​et båndgab. Det reducerer også fonon Debye-temperaturen og forbedrer anharmoniske vibrationer, som igen undertrykker gitterets termiske ledningsevne.

Som et resultat udviser disse materialer lavere varmeledningsevne sammenlignet med konventionelle HH- og FH-forbindelser. Især den beregnede zT-værdi af p-type ZrCo_1.33 Sn når 0,54 ved 1.000 K takket være dens høje effektfaktor og lave varmeledningsevne.

"Vores undersøgelse forudser unikke S-P Heusler-halvledere med exceptionelle termoelektriske egenskaber og tydeliggør den fysiske mekanisme, der driver deres dannelse," sagde Ti Zhuoyang.

Flere oplysninger: Zhuoyang Ti et al., Bindingsegenskaber af Rubiks-kubelignende Slater-Pauling Heusler-halvledere til termoelektrik, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.195203

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang B

Leveret af Chinese Academy of Sciences