石鑫，东北大学2018届校友，师从院士，新发Science！

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电子能带收敛可对热电性能产生有利影响，但寻找合适的能带收敛组分仍需耗费大量时间。

2024年5月16日，美国休斯敦大学物理系M. D. Anderson讲席终身教授/美国国家发明家科学院院士Zhifeng Ren（任志锋）团队在Science期刊发表题为“Global band convergence design for high-performance thermoelectric power generation in Zintls”的研究论文，团队成员石鑫、宋少伟为论文共同第一作者，任志锋教授为论文通讯作者。

从左至右：任志锋教授、石鑫、宋少伟

石鑫，休斯敦大学物理系博士，专注于设计高性能热电材料及了解其内在物理性质等研究；2018年硕士毕业于东北大学材料科学与工程学院，导师：蒋敏教授；2024年博士毕业于休斯敦大学物理系，导师：任志锋教授。

该研究提出了一种在高熵YbxCa1-xMgyZn2-ySb2材料中通过将母体化合物的晶体场分裂能加权和归零来设计一系列同时具有带收敛性的组合物的方法。研究发现，设计的组合物具有较大的功率因数（PF）和较低的热导率，其中Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2与其他p型Zintls相比具有较大的热电优值（zT）。同时，得到的材料具有很高的热稳定性和时间稳定性。组装的全Zintl热电模块，在475K温差下，热电转换效率超过10%。

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn7265

在假设YbxCa1-xMgyZn2-ySb2合金的Δ与其母体化合物的Δ呈线性关系的基础上，研究人员设计了一系列同时实现全局能带收敛（Δ=0）的组合物。利用该方法，合成了一系列PFs远高于母体化合物的组合物，最终在773K时，Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2的zT峰值达到了~1.2。该zT值是AM2X2化合物和其他p型Zintls中报道的最高值之一。线性关系是该研究成分设计策略的基础，随后对这一假设进行了检验，并证实了其有效性。研究发现，所获得的材料在热稳定性和时间稳定性方面都表现良好。将p型Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2与n型Mg3+δY0.02Sb1.5Bi0.5基材料配对，组装出了一个热电模块，该模块表现出卓越的器件级性能，在475K的温差（ΔT）条件下，其最大η达到~10.1%，该值是单级模块中报道的最高值之一。此外，模块不含任何有毒元素或Te。该研究设计的材料和组装的全Zintl模块是下一代废热回收和热电发电的潜在解决方案。

图1. p型Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2 Zintl材料的高热电性能

图2. 带收敛YbxCa1−x−dNadMgyZn2−ySb2合金的热电性能

图3. 电子能带收敛的性能指标

图4. Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2的热稳定性和时间稳定性

图5. Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2/ Mg3.08Y0.02Sb1.5Bi0.5热电模块的热电转换性能

总之，该研究以YbxCa1-xMgyZn2-ySb2高熵合金为例，通过将四种母体化合物的Δ值加权和归零，提出了一种可用于同时设计一系列电子能带收敛组合物的独创方法。使用三种不同的实验指标验证了该方法的有效性。得益于其能带收敛态，设计出的组合物显示出比其母体化合物大得多的PFs，当与其本征低k值相结合时，使得Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2在773K下的zT值高达~1.2。还证明了该材料的卓越稳定性，使其在商业应用中具有吸引力。最后，通过将Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2与n型Zintl（Mg3.08Y0.02Sb1.5Bi0.5）配对，成功制备了一个热电模块，在器件层面验证了其强大的热电性能。在ΔT=475K下，ω值为1.7W·cm−2，η值超过10%。更重要的是，设计的材料和组装的全Zintl模块具有无毒、结构可靠和不含Te等特点，是下一代废热回收和热电发电的理想选择。

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