探究 Mg$_3$Sb$_2$ 热电材料中高效的 n 型镧系掺杂剂

近期 n 型 Mg$_3$Sb$_2$ 热电材料的发现引发了针对该材料潜在 n 型掺杂剂的大量研究。利用第一性原理缺陷计算，本文对 Mg$_3$Sb$_2$ 潜在的高效 n 型镧系掺杂剂进行了系统的计算筛选。除 La、Ce、Pr 和 Tm 外，我们发现通过在 Mg 位点上掺杂 Nd、Gd、Ho 和 Lu，可实现高电子浓度（在 900 K 生长温度下 $\geq$ 10$^{20}$ cm$^{-3}$），这些掺杂剂通常比其他镧系掺杂剂及阴离子位掺杂剂 Te 更高效。实验中，我们确认 Nd 和 Tm 为 Mg$_3$Sb$_2$ 的有效 n 型掺杂剂，因为 Nd 和 Tm 掺杂展现出优于 Te 掺杂的热电优值 zT $\geq$ 1.3 及更高电子浓度。通过与 Nd（Tm）和 Te 共掺杂，实现了功率因子提升与热导率降低的兼顾。结果，我们在 n 型 Mg$_{3.5}$Nd$_{0.04}$Sb$_{1.97}$Te$_{0.03}$ 和 Mg$_{3.5}$Tm$_{0.03}$Sb$_{1.97}$Te$_{0.03}$ 中分别于 775 K 获得约 1.65 和 1.75 的高 zT 值，这属于未与 Mg$_3$Bi$_2$ 合金化的 n 型 Mg$_3$Sb$_2$ 的最高值之列。本工作为探索有前景的 n 型掺杂剂以设计 Mg$_3$Sb$_2$ 热电材料提供了启示。