Forskare från Hefei Institutes of Physical Science vid den kinesiska vetenskapsakademin har designat Slater-Pauling (S-P) Heusler-material med en unik struktur som liknar en Rubiks kub. Dessa material uppvisar halvledarliknande egenskaper och har potential i termoelektriska tillämpningar.
"I traditionella halvledar-Heusler-legeringar följer antalet valenselektroner en specifik regel. Dessa S-P Heusler-föreningar trotsar dock denna regel samtidigt som de fortfarande uppvisar halvledarbeteende", säger Ti Zhuoyang, första författare till studien, "vi förklarade de bakomliggande orsakerna till dessa fenomen i denna studie."
Resultaten publicerades i Physical Review B .
Vissa Heusler-föreningar utanför stökiometri har förutspåtts uppvisa halvledaregenskaper. Men bindningsbeteendet i dessa S-P-halvledare och förhållandet mellan deras kristallstruktur och termoelektriska prestanda har förblivit oklart.
I denna studie fokuserade teamet på två Heusler-system:Ti-Fe-Sb och M-Co-Sn (M =Ti, Zr, Hf). Inom dessa två system förutspådde de den termodynamiskt stabila TiFe1.5 Sb och MCo1.33 Sn S-P halvledare.
Forskarna förklarade ytterligare orsaken till de unika egenskaperna hos dessa föreningar.
Grävde djupare förklarade forskarna de unika egenskaperna hos dessa föreningar. Förutom de kända halv-Heusler (HH) och full-Heusler (FH) lokala geometrierna, innehåller dessa S-P strukturer defekta-HH (DH) och defekta-FH (DF) substrukturer. Detta beror på den partiella ockupationen av Y-atomer (Fe eller Co) vid 4d Wyckoff-platsen.
En spännande konsekvens av detta är bildandet av andra och tredje ordningens Rubiks kubmönster i TiFe1.5 Sb och MCo1.33 Sn, som tillskrivs den regelbundna staplingen av dessa understrukturer.
Detta unika arrangemang är nyckeln till omfördelningen av elektroner inom gittret, vilket leder till bildandet av ett bandgap. Det minskar också fonon Debye-temperaturen och förbättrar anharmoniska vibrationer, vilket i sin tur undertrycker gittrets värmeledningsförmåga.
Som ett resultat uppvisar dessa material lägre värmeledningsförmåga jämfört med konventionella HH- och FH-föreningar. I synnerhet det beräknade zT-värdet för p-typ ZrCo1.33 Sn når 0,54 vid 1 000 K, tack vare sin höga effektfaktor och låga värmeledningsförmåga.
"Vår studie förutser unika S-P Heusler-halvledare med exceptionell termoelektrisk kapacitet och klargör den fysiska mekanismen som driver deras bildning", säger Ti Zhuoyang.
Mer information: Zhuoyang Ti et al, Bonding properties of Rubik's-cube-like Slater-Pauling Heusler-halvledare för termoelektrik, Physical Review B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.195203
Journalinformation: Fysisk granskning B
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
