探索外太空之必备材料—热电材料，且看它如何睥睨天下？

热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的珀耳帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。
随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。

接下来，我们就将简单回顾一下，自2020年以来计算化学在热电材料领域的研究。

新理论助力热电新开启篇章：双声子理论

1. Nature Communications：在低导热晶体中，振动层次导致双声子输运

许多低热导(κL)晶体在中等温度下表现出有趣的温度依赖性(κL: κL ∝ T−1，类晶体)，而在高温下表现出弱的T-依赖性(类似玻璃的晶体)。热输运是否仍然可以用Ioffe-Regel极限的声子来描述一直存在争议。在这项工作中，来自美国普渡大学的Xiulin Ruan等人，提出大多数声子仍然被定义为热传输，而它们通过双通道携带热：由玻尔兹曼传输方程理论描述的普通声子，和由扩散理论描述的类扩散声子。在第一性原理计算中，采用了三个基于物理学的标准来判断两个声子通道之间的模态。对La2Zr2O7和Tl3VSe4的实例研究表明，正常声子主导低温，而扩散型声子主导高温。现有的双声子理论启发了接近Ioffe-Regel极限的分层声子输运物理，并提供了一种适用于许多具有振动分层的材料的数值方法。

参考文献：Luo, Y., Yang, X., Feng, T. et al. Vibrational hierarchy leads to dual-phonon transport in low thermal conductivity crystals. Nat Commun 11, 2554 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16371-w原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-16371-w#citeas

热电性能预测：LaZnOPn (Pn = P, As)

2. JMCA：LaZnOPn(Pn = P, As)热电性能的计算预测

在地球上大量使用的高效热电材料为通过收集余热来发电提供了一种环境友好的途径。近年来，虽然已经取得了创纪录的热电效率，但主导材料往往含有有毒和稀有元素，包括Pb、Te和Bi，这在商业上可能存在推广困难的问题。在本研究中，来自英国伦敦大学的Maud Einhorn等研究者，利用密度泛函理论(DFT)研究了地球上丰富的两种候选热电材料LaZnOP和LaZnOAs的热电性能。利用包含自旋-轨道耦合效应的杂化DFT计算了两种材料的电子结构和能带排列，表明两种材料都是p型掺杂高移动载流子。利用晶格动力学分析了LaZnOPn (Pn = P, As)的振动性质并计算了其晶格热导率，发现这两种材料在声子寿命和群速度差异的驱动下都表现出了高度的各向异性热输运。同时，研究者计算了LaZnOP和LaZnOAs的电子输运特性，包括预测的ZTs，并得出了结论，LaZnOP和LaZnOAs都是很有前途的高温热电应用的候选材料。此外，研究者还深入了解了纳米结构在加工过程中对两种材料热电势的影响。

参考文献：Einhorn, M., Williamson, B. A. D., & Scanlon, D. O. (2020). Computational Prediction of the Thermoelectric Performance of LaZnOPn (Pn = P, As). Journal of Materials Chemistry A. DOI:10.1039/d0ta00690d 原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ta/d0ta00690d

高通量筛选：理论指引实验 

3. JMCA：高通量筛选揭示了缝隙金属作为热电材料

设计高性能热电材料的典型策略是涂敷半导体材料，直到获得最佳性能。然而，一些已知的热电材料，如La3Te4、Mo3Sb7、Yb14MnSb11和NbCoSb，实际上是空隙金属，也就是说，它们的能带结构显示出略微高于或低于费米能级所穿过的带。这一关键特性使这些金属可与简并半导体相媲美，因此适用于热电应用。在这项工作中，来自比利时卢汉大学的Francesco Ricci & Geoffroy Hautier等研究者，执行了一个计算高通量的搜索，以寻找这些表现出吸引热电性能的间隙金属。研究发现，数千种金属具有这一关键特征，其中约有1000种，通过计算zT显示出良好的热电性能。在此，研究者介绍了他们发现的不同金属间隙的化学性质，如笼合物、Chevrel相或过渡金属双卤化合物，并讨论了它们在热电方面的研究以及它们作为新型热电材料的潜力。

参考文献：Ricci, F., Dunn, A., Jain, A., Rignanese, G.-M., & Hautier, G. (2020). Gapped metals as thermoelectric materials revealed by high-throughput screening. Journal of Materials Chemistry A. DOI：10.1039/d0ta05197g
原文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/ta/d0ta05197g

掺杂提高性能：SnTe热电

4. JMCC：铋和锌共掺杂的SnTe热电：共振水平和重空穴带优势的相互作用导致性能的提高和创纪录的高温ZT

具有可调谐电子结构的无铅SnTe已成为环保热电的领跑者。在此，来自印度斯里尼瓦大学的U Sandhya Shenoy &卡纳塔克邦国立理工学院的D Krishna Bhat，通过第一性原理密度泛函理论计算表明铋和锌掺杂在SnTe中引入了一个共振能级。铋锌共掺杂的SnTe在室温下的重空穴价带占主导地位，导致SnTe基材料室温ZT达到了~0.3(300k)的最高记录。由于共振态与纳米沉积物的形成相互作用，使得Seebeck系数值增加，导致晶格导热系数明显较低，约为0.68 W m-1 k-1，从而导致在840 K时ZT峰值为1.6。当铋锌共掺杂SnTe的冷端和热端分别为300 K和840 K时，其ZTaverage达到了创纪录的0.86，这使得铋锌共掺杂SnTe成为热电应用的潜在材料。这种使用两种谐振掺杂剂的策略，不仅可以提高室温ZT，而且可以提高高温值，可以很好地推广到其他系统。

参考文献：Shenoy U, S., & Bhat, D. K. (2020). Bi and Zn co-doped SnTe thermoelectrics: Interplay of resonance levels and heavy hole band dominance leading to enhanced performance and record high room temperature ZT. Journal of Materials Chemistry C. DOI：10.1039/c9tc06490g
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0169433220312782#!

结构预测与性能预测：CrSi2

5. ACS Sustainable Chemistry & Engineer：CrSi2二硅酸盐的结构预测和总体性能：DFT研究

铬基硅化物广泛应用于热电器件、半导体、超高温器件和储能系统。但CrSi2的结构特征及相关性质尚不清楚。在这里，来自中国石油大学的Yong Pan，从密度泛函理论出发研究了CrSi2的结构、力学和物理性能。有四个相：C40(六方)-CrSi2, C11b(四方)-CrSi2, C49(正交)-CrSi2, C54(正交)-CrSi2。在本工作中，研究者首次预测了两个新的结构：C49(正交正交)-CrSi2和C54(正交正交)-CrSi2。特别是具有C11b(正方)的CrSi2比其他CrSi2具有更好的稳定性。在所有CrSi2中，具有C11b(正方)相的CrSi2弹性模量最强。具有C49相的CrSi2的Vickers硬度为34.9 GPa。此外，CrSi2与C40(六方)相和C54(斜方)相的能带隙分别为0.392 eV和0.040 eV，表明它们是半导体材料。最后，通过硅和硅铬键的晶格振动确定了CrSi2二硅酸盐的超高温热力学性质。

参考文献：Yong Pan. Structural Prediction and Overall Performances of CrSi2 Disilicides: DFT Investigations ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2020 8(29),11024-11030. DOI: 10.1021/acssuschemeng.0c04737原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssuschemeng.0c04737

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