拓扑Weyl半金属家族RAlX（R = La, Ce, Nd；X = Si, Ge）的热电性质：第一性原理研究

《Journal of Materials Chemistry C》：Thermoelectric properties of topological Weyl semimetal family RAlX (R = La, Ce, Nd; X = Si, Ge): a first-principles investigation

Weyl半金属材料RAlX（R=La,Ce,Nd；X=Si,Ge）的电子结构与热电性能通过第一性原理计算研究，发现CeAlGe在900K时热电优值zT=0.56，其电子热导率主导，晶格热导率较低，且d轨道和p轨道对电导贡献显著。

　　Weyl半金属因其独特的拓扑性质，正成为研究非平凡输运特性的热点材料。这类材料在电子输运中展现出特殊的特性，如高载流子迁移率、拓扑表面态和奇异的物理现象，例如手性异常等。随着对Weyl半金属研究的深入，其在热电领域的应用潜力也逐渐被揭示。本文通过第一性原理计算，结合半经典玻尔兹曼输运理论，系统地研究了RAlX（R = La、Ce、Nd；X = Si、Ge）这一Weyl半金属家族的热电性能，为开发高性能热电材料提供了新的思路。

### 热电材料的重要性与挑战

当前社会对能源的需求日益增长，特别是在人工智能（AI）等技术迅速发展的背景下，服务器和数据中心等高能耗设备的运行产生了大量热量。热电材料能够将热能直接转化为电能，为解决能源浪费和实现可持续发展提供了重要途径。热电材料的应用范围广泛，包括航天设备、微型处理器的散热以及可穿戴电子设备的能量收集等。然而，热电材料的性能通常由热电优值（zT）决定，而这一参数涉及多个相互影响的物理量，如Seebeck系数（S）、电导率（σ）和热导率（κ）。其中，κ由电子热导率（κ^el）和晶格热导率（κ^l）组成，且S与σ之间存在复杂的依赖关系。因此，优化热电性能面临诸多挑战。

### Weyl半金属的优势

Weyl半金属因其拓扑结构而具有独特的电子输运特性，例如高迁移率的Weyl锥结构和非饱和的Seebeck系数。这些特性使得Weyl半金属成为研究热电现象的理想平台。此外，Weyl半金属中还存在一些特殊的物理现象，如轴向重力异常和非对称的Seebeck效应。这些现象不仅丰富了我们对量子输运的理解，也为热电材料的设计提供了新的视角。

例如，TaP作为一种Weyl半金属，在高磁场下表现出非饱和的热电功率，达到525 μW cm^?1 K^?2。而Co₃Sn₂S₂和TbPtBi等磁性Weyl半金属则展示了与热电系数相关的非对称效应。此外，WTe₂作为一种柔性Weyl半金属，其Nernst热电系数高达3 W m^?1 K^?2，表明其在热电转换中的巨大潜力。这些特性使得Weyl半金属成为热电研究的重要对象。

### RAlX家族的结构与电子性质

RAlX家族的结构基于体心四方晶格，其空间群为I4₁md（编号109），缺乏反演对称性，这是Weyl半金属形成的必要条件。该家族的材料在结构上表现出一定的多样性，不同元素的组合导致了不同的物理行为。例如，LaAlGe通过角度分辨光电子能谱（ARPES）实验被证实具有倾斜的Weyl锥结构，这表明其可能包含II型Lorentz违反的Weyl费米子。II型Weyl半金属在热电性能方面具有优势，因为其在半经典模型下预测的热电系数显著增强。

通过第一性原理计算，本文对RAlX家族的电子结构进行了详细分析。结果显示，R（La、Ce、Nd）的d轨道和Al、X的p轨道是电子输运的主要贡献者。特别是在费米能级附近，这些轨道的电子密度对Seebeck系数具有显著影响。此外，由于Ce和Nd具有磁性，它们的Weyl节点位置与非磁性的La相比有所偏移，这可能对载流子极性产生影响，从而影响热电性能。LaAlX的Weyl节点更接近费米能级，导致载流子极性相互抵消，使得其热电优值较低。

### 热导率与热电性能的关系

在热电材料中，低热导率是提升zT值的关键因素之一。本文通过计算发现，RAlX家族的晶格热导率远低于电子热导率，且在不同方向上表现出一定的各向异性。这一结果表明，通过调控电子结构和载流子浓度，可以进一步优化热电性能。同时，由于晶格热导率与电子热导率之间的比例关系，降低晶格热导率可能成为提升热电性能的重要策略。

在具体计算中，本文发现RAlX材料的晶格热导率在xx和zz方向上分别约为10 W m^?1 K^?1，而电子热导率则显著更高，约为电子热导率的十倍。这种低晶格热导率的特性使得RAlX材料在热电应用中具有独特优势。此外，研究还表明，X = Ge的材料相比X = Si具有更高的声子带隙，导致其晶格热导率较低，这可能是由于Al和Ge之间的原子质量差异较大所致。

### 热电性能的优化方向

在热电性能优化方面，本文提出了一种基于电子结构调控的方法。通过调整R和X的种类，可以影响Weyl节点的位置和载流子的极性，从而提升Seebeck系数和电导率。例如，CeAlGe在900 K时，通过电子掺杂实现了zT值为0.56的较高性能，这表明其在热电应用中具有巨大潜力。此外，NdAlGe的zT值也较高，表明其在热电性能优化中具有一定的优势。

为了进一步提升热电性能，本文还探讨了不同方向的输运特性。结果显示，在zz方向上，部分材料表现出更高的热电优值，这可能与该方向上更高的电子密度有关。同时，各向异性在热电性能优化中具有重要意义，因为它可以帮助确定最佳的材料取向，以提高热电转换效率。

### 未来展望

本文的研究结果表明，RAlX家族在热电应用方面具有广阔的前景。其低晶格热导率和高电子迁移率的特性，使得该材料成为一种理想的热电候选材料。此外，该家族的拓扑结构和电子输运特性为探索新型热电材料提供了丰富的可能性。通过进一步的实验研究和理论分析，可以更深入地理解这些材料的热电行为，并为其在实际应用中的性能提升提供指导。

在未来的研究中，可以进一步探讨RAlX材料的结构调控和掺杂策略，以优化其热电性能。此外，结合其他热电材料的特性，可以探索RAlX与其他材料的复合体系，以实现更高的zT值。这些研究不仅有助于推动热电技术的发展，还可能为新型量子材料的开发提供理论支持。