Onderzoekers van de Hefei Institutes of Physical Science van de Chinese Academie van Wetenschappen hebben Slater-Pauling (SP) Heusler-materialen ontworpen met een unieke structuur die lijkt op een Rubiks kubus. Deze materialen vertonen halfgeleiderachtige eigenschappen en hebben potentieel in thermo-elektrische toepassingen.

"In traditionele halfgeleider-Heusler-legeringen volgt het aantal valentie-elektronen een specifieke regel. Deze S-P Heusler-verbindingen trotseren echter deze regel terwijl ze nog steeds halfgeleidergedrag vertonen", zegt Ti Zhuoyang, eerste auteur van de studie. "We hebben de onderliggende redenen voor deze verschijnselen in dit onderzoek."

De resultaten zijn gepubliceerd in Physical Review B .

Er is voorspeld dat sommige niet-stoichiometrische Heusler-verbindingen halfgeleiderkarakteristieken vertonen. Het bindingsgedrag in deze S-P-halfgeleiders en de relatie tussen hun kristalstructuur en thermo-elektrische prestaties zijn echter onduidelijk gebleven.

In deze studie concentreerde het team zich op twee Heusler-systemen:Ti-Fe-Sb en M-Co-Sn (M =Ti, Zr, Hf). Binnen deze twee systemen voorspelden ze de thermodynamisch stabiele TiFe_1.5 Sb en MCo_1.33 Sn S-P halfgeleiders.

De onderzoekers legden verder de reden uit voor de unieke eigenschappen van deze verbindingen.

Dieper gravend, verklaarden de onderzoekers de unieke eigenschappen van deze verbindingen. Naast de bekende lokale geometrieën van halve Heusler (HH) en volledige Heusler (FH), bevatten deze SP-structuren defecte HH (DH) en defecte FH (DF) substructuren. Dit komt door de gedeeltelijke bezetting van Y-atomen (Fe of Co) op de 4d Wyckoff-site.

Een intrigerend gevolg hiervan is de vorming van Rubiks kubuspatronen van de tweede en derde orde in TiFe_1.5 Sb en MCo_1.33 Sn, toegeschreven aan het regelmatig stapelen van deze onderconstructies.

Deze unieke opstelling is de sleutel tot de herverdeling van elektronen binnen het rooster, wat leidt tot de vorming van een bandgap. Het verlaagt ook de fonon-Debye-temperatuur en verbetert de anharmonische trillingen, die op hun beurt de thermische geleidbaarheid van het rooster onderdrukken.

Als gevolg hiervan vertonen deze materialen een lagere thermische geleidbaarheid vergeleken met conventionele HH- en FH-verbindingen. In het bijzonder de berekende zT-waarde van p-type ZrCo_1,33 Sn bereikt 0,54 bij 1.000 K, dankzij de hoge vermogensfactor en de lage thermische geleidbaarheid.

"Onze studie voorziet in unieke S-P Heusler-halfgeleiders met uitzonderlijke thermo-elektrische capaciteiten en verduidelijkt het fysieke mechanisme dat hun vorming aandrijft", zegt Ti Zhuoyang.

Meer informatie: Zhuoyang Ti et al, Hechtingseigenschappen van Rubik's-kubusachtige Slater-Pauling Heusler-halfgeleiders voor thermo-elektrische systemen, Fysieke recensie B (2023). DOI:10.1103/PhysRevB.108.195203

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling B

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen