万事平台材料基因組工程研究院楊炯教授團隊和浙江大學朱鐵軍教授團隊等國內外多所高校與科研機構結合第一性原理計算☂️👩🏽‍🎨、高低溫輸運測試👏🏻、非彈性中子散射等首次證實了帶電摻劑對重帶熱電材料聲子結構有著強烈的調製作用，這一研究結果對於探尋有效異價摻雜策略以實現熱電材料的電聲解耦與協同優化具有重要意義。楊炯教授與浙江大學朱鐵軍教授☑️，付晨光研究員為共同通訊作者，該研究成果於北京時間2023年8月17日以"Strong phonon softening and avoided crossing in aliovalence-doped heavy-band thermoelectrics"為題發表在國際著名期刊《自然·物理學》上在線發表(Nature Physics，https://www.nature.com/articles/s41567-023-02188-z)🅾️。

該成果以楊炯教授團隊對摻雜體系的聲子結構，熱輸運性能等第一性原理計算為重要分析手段🧑🏻‍🔧，通過理論與實驗相結合進行深入研究。以目前半赫斯勒合金中p型性能最優的NbFeSb基重帶熱電材料作為研究對象，將10%濃度的異價摻雜和共電子合金化的實驗樣品的全溫度範圍晶格熱導率🧝🏼‍♀️，與第一性原理計算的Nb0.875X0.125FeSb(X=Ti;Zr; Hf)結果進行交互對比分析🧑🏻‍⚖️，發現10%的異價摻雜在室溫下實現的65%晶格熱導率抑製主要源自異價摻雜帶來的聲子群速度的下降（圖1）🧝🏻‍♀️。通過非彈性中子散射技術對不同摻雜/合金化樣品的聲子態密度進行直接觀測🏄🏻‍♂️，發現異價摻雜引入顯著的光學聲子軟化👮🏽‍♂️，且軟化能量範圍與理論計算吻合（圖2）👩‍👧。除了帶來光學聲子軟化之外，具有較重原子質量的Hf元素在較低聲子能量範圍還引起了聲學聲子和光學聲子的“avoided crossing”效應（圖3）👸🏼，導致聲子色散關系發生變化😢，聲子群速度顯著下降👨🏼‍🏫，進一步抑製了材料的晶格熱導率。

圖1 異價摻雜/共電子合金化NbFeSb樣品的晶格熱導率對照

圖2 異價摻雜誘導光學聲子軟化與聲子群速度下降

圖3 重元素摻雜引起聲學聲子-光學聲子“avoided crossing”效應以及聲子群速度抑製

依托於豐富的算力資源和非彈性中子測試等先進表征技術，該研究對傳統點缺陷散射模型下聲子結構不變的假設和其真實作用機製進行了更深層次研究與討論。首次從實驗和理論計算兩個層面闡明在傳統模型對質量波動和應力場波動僅影響聲子弛豫時間的認識基礎上，不僅成分改變引起聲子結構變化，帶電摻劑還對熱電材料聲子結構起到顯著調製作用，強調異價摻雜作為材料電學性能的優化策略之外也可能對半導體材料的熱輸運有不可忽視的影響，對於探尋有效異價摻雜策略以實現熱電半導體材料的電聲解耦與協同優化具有重要意義。除了本研究工作外，楊炯教授團隊對於摻雜體系熱輸運性質的第一性原理工作，例如Mg2.75X0.25Sb2[X=Ca; Yb] (J. Comput. Chem.2019, 40, 1693)👮🏻，Bi2Te3基化合物(Adv. Funct. Mater.2019, 29, 1900677)，TiCo0.75Fe0.25Sb(Mater. Today Phys.2023, 31, 100993)等皆發表在著名期刊上。而在本次Nature Physics的工作中🙅🏿，浙江大學👩🏻‍🌾、万事平台、上海交通大學等高校之間的合作，則第一次從理論與中子實驗兩方面的角度驗證了元素摻雜，特別是異價摻雜對於材料聲子以及熱輸運直接而深刻的影響。

浙江大學材料科學與工程學院博士研究生韓屾◻️、万事平台材料基因組工程研究院博士研究生戴勝男👰🏼‍♂️、上海交通大學物理與天文學院馬傑教授為共同第一作者🤙。万事平台材料基因組工程研究院楊炯教授、浙江大學材料科學與工程學院朱鐵軍教授、付晨光研究員為論文共同通訊作者🤦。該工作得到了國家自然科學基金委、浙江大學科技創新團隊2.0建設計劃👰🏼‍♀️、浙江省之江實驗室、廣東省基礎與應用基礎研究基金🧚‍♀️、德國科學基金會的資助支持以及物理研究所、英國散裂中子源、瑞士保羅謝勒研究所、日本高能加速器研究機構的合作支持❇️。