新型近室温MgAgSb基热电材料结构及动力学属性的中子散射研究

A breakthrough on thermoelectric materials was recently reported in MgAgSb-based compounds with high ZT value in a wide temperature range near-room-temperature, simulating the new prospect on the room-temperature application of thermoelectric generation and solid-state cooling. In this project, we will focus on the advantages of neutron scattering techniques in the study of materials structure and dynamic properties. Wide Q-range high resolution neutron diffraction technical will be employed to investigate the sample crystallographic structure by means of the Rietveld method and pair distribution function (PDF) method. Inelastic neutron scattering will be selected to study the phonon properties, and the dynamic PDF analysis will be tried to refine local dynamic properties to go deep into the mechanism of phonon heat conduction. The evolution of the crystallographic structure, atomic dynamics and thermoelectric properties in MgAgSb-based materials will be systematically studied as a function of temperature, pressure and the species and concentration of Ag or Sb ions. In combination of the first principle calculation, the correlation among the thermoelectric properties, crystallographic structure and dynamic characteristics will be interpreted. All those results must be helpful to seek for novel high-ZT thermoelectric materials.

近来热电材料研究领域取得重要突破，报道称MgAgSb基热电材料在近室温温区具有高品质因数且峰值温区较宽，在温差热发电和固态制冷领域应用前景广阔。本项目将主要借助先进的中子散射技术在材料结构及动力学属性研究中的优势，用宽Q区间高分辨中子衍射结合Rietveld方法和对分布函数方法（PDF）重点研究材料的微观结构特征；非弹性中子散射测绘材料中的声子态密度，并尝试使用动力学对分布函数(Dynamic PDF)方法精细化分析局域动力学属性，深入探究声子热导机制。在MgAgSb基体系内，通过在Ag位和Sb位进行组分调控，系统地研究其晶体结构、动力学属性和热电物性随温度、压力及成分等演化的规律，结合第一性原理计算，理解材料的热电属性与微观结构及动力学属性之间的关系，深入探究此材料优越热电性能背后的物理机制，为进一步寻找新型的热电材料提供指导。

热电材料可以实现热能和电能的相互转换，在温差热发电、固态制冷及低温下稳定工作的太空卫星制冷器等方面拥有巨大的应用市场。商业化的热电器件能量转化效率长期以来达不到实际应用能量转化效率不小于10%的需求，主要原因是传统热电材料品质因数ZT值较低。α-MgAgSb-基热电材料具有高品质因数(450 - 550 K：ZT ~1.4)，成为重要的近室温温区高热电性能材料。本项目主要利用多种中子散射技术、同步辐射X射线衍射技术、结合第一性原理计算对α-MgAgSb材料的低热导机制从材料精细结构和晶格动力学方面进行了深入研究。中子全散射的对分布函数分析研究了材料中Mg-Sb构成的NaCl型晶格的局域结构畸变，此结果得到了高分辨同步辐射X射线衍射数据Rietveld精修键长键角结果的进一步验证。高分辨非弹性中子散射发现了新奇的双蘑菇散射声子态密度，却无横声学声子，结合第一性原理计算揭示α-MgAgSb中横声学支声子被局域结构扭曲近乎完全散射。此外，对比变温高分辨中子散射测得的声子态密度随温度升高的软化率与晶格热膨胀造成的声子软化率，发现前者大约是后者的两倍，表明此材料中存在显著的声子非谐效应。本项目研究从材料精细晶体结构和原子动力学的微观层面上揭示了α-MgAgSb具有低热导的物理机制，既α-MgAgSb低晶格热导是局域结构畸变导致强横声学支声子散射和声子非谐效应的结果，对开发新型高性能热电材料具有重要指导意义。