近日，我校物质科学学院陈辰研究员与哈尔滨工业大学（深圳）张倩教授、上海交通大学马杰教授、香港大学陈粤副教授、中国散裂中子源任清勇副研究员等合作，通过使用中子散射技术和理论模拟对Zintl相Sr(Cu, Ag, Zn)Sb热电化合物的晶体结构和晶格动力学进行了研究。Sr2ZnSb2中的晶格空位显著增强了晶格非谐性，导致声子谱的软化，与缺陷散射一起，导致该化合物极低的晶格热导率。空位的存在引起了电荷密度重建，从而破坏了化学键的结合强度。这些微观的见解表明，在热电材料的设计中，可以通过晶格缺陷工程来调整声子非谐性，从而调控晶格热导率。
相关成果以“Vacancies tailoring lattice anharmonicity of Zintl-type thermoelectrics”为题，发表于学术期刊Nature Communications。陈辰研究员为本论文的共同第一作者。
晶格缺陷是抑制晶格热导率、优化热电材料性能的一个重要手段，传统的Debye-Callaway模型认为晶格缺陷主要起缺陷-声子散射作用。近年来，在一些新型热电材料中观测到了高浓度的空位缺陷(例如Nb0.8CoSb、Eu2ZnSb2、Sr2ZnSb2等)，且这些缺陷呈无序或短程序分布。这些材料具有更低的晶格热导率，但是传统的缺陷-声子散射模型无法给出一个很好的解释。同时，大量空位缺陷和无序分布情况也为理论研究工作带来了很大的挑战。
本工作通过对ZrBeSi型Zintl相SrCuSb，SrAgSb和Sr2ZnSb2的对比研究，阐明了空位对这类化合物的晶格热导率的影响。采用中子粉末衍射表征了晶体结构，采用非弹性中子散射技术和分子动力学模拟研究了晶格动力学，采用X射线光电子能谱分析了空位引起的原子成键变化，并进行了相关理论计算。研究发现，Sr2ZnSb2化合物中的大量空位导致晶格的整体软化，与SrCuSb、SrAgSb相比具有更大的声子非谐性。这种变化是由于Sr和[ZnSb]亚晶格之间的离子键减弱导致的。这些研究结果表明，Zintl相化合物中的空位在晶格热导率的抑制中发挥着比传统缺陷散射更复杂的作用。
图1. 声子的软化和非谐性
https://www.nature.com/articles/s41467-024-46895-4
