多能谷 Full-Heusler 化合物高热电性能与缺陷能量学

我们报道了关于 full-Heusler 化合物 Sr$_{2}$BiAu 与 Sr$_{2}$SbAu 电子-声子相互作用及热电输运性质的第一性原理密度泛函研究。我们的结果表明，在宽温区内超高本征块体热电性能在物理上是可能的，并指出多重简并且高色散的载流子能谷是实现该性能的关键因素。Sr$_{2}$BiAu 具有十个能量对齐的低有效质量能谷（沿 $\Gamma-X$ 六个，在 $L$ 点四个），预测可在 $T=100-700$~K 给出 $n$ 型 $zT=0.4-4.9$。与先前研究的 Ba$_{2}$BiAu 化合物比较显示，Sr$_{2}$BiAu 中额外的 $L$ 能谷显著将其低温功率因子提升至近 $T=300$~K 处最大值 $12$~mW~m$^{-1}$~K$^{-2}$。然而在高温下，Sr$_{2}$BiAu 的功率因子跌至 Ba$_{2}$BiAu 之下，因为 $L$ 态更重且受声子形变强散射，而较轻的 $\Gamma-X$ 态受极化光学散射限制。Sr$_{2}$SbAu 因 $L$ 与 $\Gamma-X$ 载流子能谷间显著失配、普遍更重的散射以及略高的晶格热导率，预测在 $T=750$~K 仅给出较低的 $n$ 型 $zT=3.4$。导致低晶格热导率的软声学模亦增加振动熵与 Heusler 化合物的高温稳定性，暗示其实验合成或可行。发现主导本征缺陷为 Au 空位，其将费米能级拉向导带并有利于 $n$ 型掺杂。