近期，中国科学院合肥物质院固体所研究人员在新型 Heusler 热电材料探索方面取得新进展，设计出具有类似魔方结构的 Slater-Pauling (S-P) Heusler 材料，阐释了该体系在独特的类魔方结构中展现出半导体热电性能的原因，为热电材料的进一步开发提供了候选材料。相关研究结果发表在 Physical Review B 上。
热电材料能够直接将温差转换为电能，具有半导体行为的Heusler合金【半Heusler(HH)化合物表示为XYZ，全Heusler(FH)化合物表示为XY2Z】长期以来被认为是具有前途的高性能热电材料之一。近期，一些非化学计量比的Heusler化合物(XY1+nZ，0
为此，研究人员从Ti-Fe-Sb体系和M-Co-Sn体系(M=Ti, Zr, Hf)出发，通过团簇展开方法预测了热力学稳定的S-P Heusler半导体材料：TiFe1.5Sb和MCo1.33Sn。从晶体结构来看，除了HH和FH的子晶格外，Y原子在晶格中的无序占据也诱发了缺陷HH和缺陷FH子结构的形成(DH和DF)。这种独特的堆垛结构类似于二阶或三阶魔方结构，不仅对晶格中的电子重新分布、形成带隙起着重要作用，而且降低了声子德拜温度，增强了非简谐振动、抑制晶格热导率，使热导率低于传统的HH和FH化合物。电学和热学性能分析表明，p型ZrCo1.33Sn在1000 K时的ZT值为0.54。该工作研究了S-P Heusler体系材料成键行为的物理机制，有助于理解S-P Heusler材料的半导体行为，为优化热电性能提供新途径。
上述研究工作是与曲阜师范大学合作完成，固体所博士生题琸洋为论文第一作者。所有计算在中国科学院超算中心合肥分中心完成。
图1. (a) 和 (b) 理论上预测的 TiFe 1.5Sb 和 MCo 1.33Sn (M = Ti, Zr, Hf) 相变后的晶体结构；(c) 和 (d) 子晶格的排列方式；(e) 和 (f) 半Heusler (HH)、全Heusler (FH)、缺陷 HH (DH) 和缺陷 FH (DF) 子结构中的原子排列；(g) 沿z轴和 (h) 沿y轴观察的 Y 原子(Fe 或 Co)的排列。
图2. (a) 和 (b) TiFe 1.5Sb的原子投影态密度 (DOS) 和晶体轨道哈密顿群 (COHP)；(c)和(d) TiFe 1.5 Sb的分子轨道(MO)示意图，其中黑色虚线箭头表示从全Heusler (FH) 子结构向半Heusler (HH) 子结构的电子转移过程
