通过导带重构实现Mg2Si1-XSnX固溶体的热电性能增强研究

研究人员针对中温区环保型热电材料性能瓶颈，通过真空熔炼-热压技术制备Mg2Si1-XSnX固溶体，结合DFT计算揭示导带收敛机制。发现Si/Sn4?能带简并使Mg2Si0.6Sn0.4获得1266 μW/mK2的功率因子，合金散射使晶格热导率降低，最终在753 K实现zTmax=0.3（提升114%），为无掺杂体系热电优化提供新范式。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，热电转换技术因其能将工业废热直接转化为电能的特点备受关注。然而传统高性能热电材料如Bi₂Te₃和PbTe存在毒性高、成本昂贵的问题，而环保型镁基材料虽具有无毒、储量丰富等优势，但其热电性能仍有较大提升空间。特别是在中温区（500-900 K）应用的Mg₂Si-Mg₂Sn固溶体体系中，如何通过能带结构调控实现电输运性能与热输运性能的协同优化，成为当前研究的关键挑战。

SRM理工学院的研究团队在《Materials Science in Semiconductor Processing》发表的研究中，通过实验与理论计算相结合的方式，系统探究了Mg₂Si_1-XSn_X固溶体的热电性能优化机制。研究采用真空熔炼结合单轴热压技术制备系列样品（x=0-0.7），结合第一性原理计算，发现Sn掺杂引发的导带重构可显著提升材料性能。

关键技术方法包括：1）真空密封法制备Mg₂Si_1-xSn_x系列样品；2）X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征晶体结构与形貌；3）同步测量塞贝克系数和电导率评估功率因子（PF）；4）激光闪射法测定热扩散系数；5）基于VASP软件的密度泛函理论（DFT）计算能带结构。

相形成与成分分析
XRD显示所有样品均形成单一相立方结构，随着Sn含量增加出现系统性峰位偏移（图1a,b）。EPMA证实元素分布均匀，Sn含量偏差<2%，验证了固溶体形成的可靠性。

热电性能优化机制
电输运测试表明，Mg₂Si_0.5Sn_0.5在403 K时获得4.4×10⁴ S/m的高电导率，归因于Sn引入带来的载流子迁移率提升。特别值得注意的是，富Si组分的Mg₂Si_0.6Sn_0.4表现出最优功率因子（1266 μW/mK²），DFT计算揭示这是由于Si/Sn^4?位点引发的能带简并（N_v=3-6）增强了态密度有效质量。

热输运性能调控
通过Callaway模型分析发现，Si-Sn原子间的质量波动（Γ_M）和应变场波动（Γ_S）产生强合金散射效应，使Mg₂Si_0.6Sn_0.4的晶格热导率显著降低。这种声子散射机制将声子平均自由程压缩至纳米尺度，最终使该组分在753 K获得zT_max=0.3，较传统合金提升114%。

这项研究通过精确控制固溶体组分，首次在不引入外来掺杂的情况下，实现了Mg₂(Si-Sn)体系热电性能的显著提升。理论计算揭示的导带收敛机制为后续材料设计提供了重要指导，而实验验证的合金散射策略为协同优化电热输运性能开辟了新途径。该成果不仅推动了环保型热电材料的发展，其提出的"能带工程-微结构调控"双轨优化策略也可拓展至其他半导体材料体系。M. Saran等研究者通过多尺度表征与计算模拟的深度融合，为未来开发高效热电材料建立了可借鉴的研究范式。