Les chercheurs ont développé des matériaux Slater-Pauling (SP) Heusler, ressemblant à la structure d’un Rubik’s cube, avec des applications thermoélectriques prometteuses. Ces matériaux défient les règles conventionnelles des semi-conducteurs tout en conservant le comportement des semi-conducteurs. Crédit : Académie chinoise des sciences
Les scientifiques ont créé des matériaux Slater-Pauling Heusler uniques dotés de propriétés semi-conductrices, offrant un potentiel important dans les applications thermoélectriques. Leurs recherches révèlent la redistribution électronique et les propriétés thermiques uniques de ces matériaux.
Récemment, des chercheurs des instituts de sciences physiques Hefei (HFIPS) de l’Académie chinoise des sciences (CAS) ont conçu des matériaux Slater-Pauling (SP) Heusler avec une structure unique ressemblant à un Rubik’s cube. Ces matériaux ont montré un potentiel dans les applications thermoélectriques en raison de leurs propriétés semi-conductrices.
Comportement unique des semi-conducteurs
« Dans les alliages Heusler semi-conducteurs traditionnels, le nombre d’électrons de valence suit une règle spécifique. Cependant, ces composés SP Heusler défient cette règle tout en affichant un comportement semi-conducteur », a déclaré Zhuoyang Ti, premier auteur de l’article, « nous avons réussi à expliquer les raisons sous-jacentes de ce phénomène dans cette étude. »
Ces résultats ont été publiés dans Examen physique B.
Figure 1. Structures cristallines TiFe1.5Sb et MCo1.33Sn théoriquement prédites et disposition des sous-structures. Crédit : Zhuoyang Ti
Exploration des composés Heusler hors stœchiométrie
Il a été prévu que certains composés Heusler hors stœchiométrie présentent des caractéristiques semi-conductrices. Cependant, le comportement de liaison dans ces SP semi-conducteurs et la relation entre leur structure cristalline et leurs performances thermoélectriques reste floue.
Recherche approfondie sur les systèmes Heusler
Dans cette recherche, l’équipe s’est concentrée sur deux systèmes Heusler : Ti-Fe-Sb et M-Co-Sn (M = Ti, Zr, Hf). Au sein de ces deux systèmes, ils ont prédit le TiFe thermodynamiquement stable1,5Sb et MCo1,33Semi-conducteurs Sn SP.
Figure 2. (a, b) Densité d’états résolue par atome (DOS) et population hamiltonienne orbitale cristalline (COHP) de TiFe1.5Sb. (c, d) Illustration schématique du diagramme d’orbitale moléculaire (MO) lors de la formation de TiFe1.5Sb. Crédit : Zhuoyang Ti
Comprendre les propriétés uniques
Les chercheurs ont en outre expliqué la raison des propriétés uniques de ces composés.
En approfondissant, les chercheurs ont expliqué les propriétés uniques de ces composés. Au-delà des géométries locales reconnues HH et FH, ces structures SP intègrent des sous-structures défectueuses HH (DH) et défectueuses-FH (DF). Cela est dû à l’occupation partielle des atomes Y (Fe ou Co) sur le site 4d Wyckoff. Une conséquence intrigante de ceci est la formation de modèles de Rubik’s cube de deuxième et troisième ordre dans TiFe.1,5Sb et MCo1,33Sn, attribué à l’empilement régulier de ces sous-structures.
Cet arrangement unique est essentiel dans la redistribution des électrons au sein du réseau, conduisant à la formation d’une bande interdite. Il réduit également la température du phonon Debye et améliore les vibrations anharmoniques, qui à leur tour suppriment la conductivité thermique du réseau. En conséquence, ces matériaux présentent des conductivités thermiques inférieures à celles des composés HH et FH traditionnels. Notamment, la valeur zT calculée du ZrCo de type p1,33Sn atteint 0,54 à 1 000 K, grâce à son facteur de puissance élevé et sa faible conductivité thermique.
Conclusion et impact potentiel
« Notre recherche prévoit des semi-conducteurs SP Heusler uniques dotés de capacités thermoélectriques exceptionnelles et clarifie le mécanisme physique à l’origine de leur émergence », a déclaré Zhuoyang Ti.
