稀土元素掺杂A1?x Bx Ir2 Zn20 （A,B=Ce,Sm,Yb）热电材料的性能优化与机制研究

本研究针对热电材料转换效率低的核心问题，通过稀土元素（Ce/Sm/Yb）掺杂调控A1?x Bx Ir2 Zn20 的电子结构与晶格振动特性。采用熔融金属助熔剂法合成单晶，结合Seebeck系数与ZT值分析，发现Yb0.57 Sm0.43 Ir2 Zn20 的ZT值提升13%，揭示了f电子杂化对热电性能的增强机制，为低温热电材料设计提供新思路。

　　

热电材料作为实现热能-电能直接转换的绿色能源技术，其核心瓶颈在于转换效率不足。当前主流热电材料如Bi₂
Te₃
等虽已商业化，但存在工作温度区间窄、成本高等局限。1-2-20型化合物（XY₂
Z₂₀
）因其独特的笼状晶体结构和强电子关联特性，近年来展现出优异的热电性能潜力。这类材料中，f电子与传导电子的Kondo杂化可形成费米能级附近的高态密度峰，通过Mott理论推导的Seebeck系数（S）与态密度梯度直接相关，为性能优化提供了理论依据。然而，稀土位点化学取代对热电性能的系统调控机制尚不明确。

美国国家强磁场实验室的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表研究，通过精确控制A_1?x
B_x
Ir₂
Zn₂₀
（A,B=Ce,Sm,Yb）中稀土元素的组合与比例，系统探究了化学取代对热电性能的影响。研究采用熔融金属助熔剂法生长单晶，结合能量色散X射线光谱（EDS）和X射线衍射（XRD）表征结构，通过电输运、比热和磁学测量揭示物理机制。

Experimental methods
研究团队采用Zn自助熔剂法，按1:2:60的原子比（RE:Ir:Zn）在氧化铝坩埚中合成单晶。通过Ar气循环处理的石英管封装技术确保反应环境纯净，结合Canfield坩埚设计实现晶体定向生长。

Results and discussion

1. 结构表征显示晶格常数从Ce到Yb呈收缩趋势，Yb_0.57
   Sm_0.43
   Ir₂
   Zn₂₀
   的立方晶格参数为14.092 ?。
2. 载流子类型分析表明：Ce基化合物以空穴主导（p型），Yb基化合物以电子主导（n型），Sm掺杂实现载流子浓度微调。
3. 热电性能突破：Yb_0.57
   Sm_0.43
   Ir₂
   Zn₂₀
   在23.4 K时ZT值达0.078，较纯Yb化合物提升13%，其低温性能优势源于Sm引入的声子散射增强与f电子态调控。
4. 温度响应差异：Yb基材料最佳ZT出现在35 K以下，Ce基材料则在100 K附近，拓宽了工作温区。

Conclusion
该研究通过稀土元素工程成功实现了：

1. 载流子类型与浓度的精准调控，证实Ce/Yb组合可构建p-n匹配的热电模块；
2. Sm掺杂诱导的晶格应变与电子关联协同效应，使ZT值突破性提升；
3. 揭示了1-2-20材料中f电子杂化（Kondo效应）与Seebeck系数的定量关联，为强关联热电材料设计建立新范式。这项工作不仅为低温废热回收提供了新材料体系，其"电子晶体-声子玻璃"的设计策略对宽温域热电材料开发具有普适指导意义。