掺铁的Co?Sb??斯库特鲁德合金的电子结构、磁性质、输运性质和弹性特性

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Electronic structures, magnetic, transport and elastic properties of Fe-doped Co 4Sb 12 skutterudite alloy

本研究通过密度泛函理论和玻尔兹曼半经典输运理论，计算了Fe掺杂Co4Sb12合金的结构、电子、磁性和弹性性质，发现掺杂后材料带隙增大，磁矩升高，输运系数和弹性性能优异，适用于热电应用。

　　本研究通过密度泛函理论（DFT）和半经典玻尔兹曼输运理论，对Fe掺杂的Co?Sb??合金的结构、电子、磁性、输运和弹性特性进行了系统分析。研究团队采用第一性原理模拟方法，结合Quantum Espresso软件，使用广义梯度近似（GGA）和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换关联泛函来计算这些材料的结构、电子和弹性特性。在输运特性的计算中，假设了一个恒定的弛豫时间（10?1?秒），并基于这一假设计算了相关的输运系数。研究发现，Co?Sb??和FeCo?Sb??合金均表现出直接窄带隙半导体的特性，其能带隙分别为0.54 eV和0.67 eV。磁性方面，Co?Sb??的磁矩为0.00 μB，而FeCo?Sb??的磁矩为0.06 μB，表明Fe的掺杂对磁性有一定影响。研究进一步预测，这两种合金均为P型半导体材料，具备良好的热电性能。

在热电性能方面，研究团队评估了这两种材料的无量纲性能指标（ZT），该指标作为热电性能的重要评价标准，由Seebeck系数、热导率和电导率共同决定。研究结果显示，Co?Sb??在600 K时的ZT值为0.91，而FeCo?Sb??在900 K时的ZT值为0.72。这些数值均超过了当前先进热电材料所预测的最佳ZT值。这表明Fe掺杂的Co?Sb??合金在高温下具有更好的热电性能，特别是在热电转化效率方面。研究还指出，Fe的掺杂对材料的结构和弹性特性产生了显著影响，导致晶格膨胀和晶格变软，同时增强了声子散射效应。这些变化不仅影响了材料的机械性能，也对热电性能产生了积极影响。

在结构特性方面，Co?Sb??和FeCo?Sb??合金均具有体心立方结构，其空间群为No. 204。研究团队使用XcrySDen软件对这两种合金的结构进行了可视化，结果显示Fe的掺杂对晶格结构产生了轻微的扰动，但整体结构保持稳定。这种稳定性对于热电材料的长期使用和实际应用至关重要。此外，研究还探讨了Fe掺杂对材料机械性能的影响，表明FeCo?Sb??合金在机械强度、刚度、硬度和脆性方面表现出良好的特性，这使得它们在热电应用和陶瓷应用中具有广泛的应用前景。

从应用角度来看，热电材料在空间探索、微生物传感器供电、废热管理、能源短缺和环境污染等领域具有重要意义。特别是在汽车领域，热电材料可以用于回收发动机废热，提高能源利用效率。同时，热电制冷技术能够实现小规模、局部化的冷却，这对于计算机、电子设备和光电子设备的散热需求至关重要。此外，热电材料具有高度可靠、无摩擦、无噪音、宽范围的电力生成、易于嵌入现有系统、直接能量转换以及紧凑的结构等优点，这些特性使其在实际应用中具有显著优势。

为了提高热电材料的性能，研究人员通常采用晶格原子替代和空位填充等方法。其中，空位填充的效果受到所选客体原子的影响，因此在众多可用原子中选择合适的掺杂元素至关重要。Fe因其无毒、无挥发性以及原料丰富，成为本研究中的理想掺杂元素。此外，Fe的电子结构不含5f电子，这确保了基于密度泛函理论计算的可靠性和可信度。因此，Fe的掺杂不仅提高了材料的热电性能，还增强了其结构和弹性特性。

在热电材料的性能优化过程中，热导率是一个关键因素。由于CoSb?合金具有较高的热导率，研究人员面临优化其热电性能的挑战。为了解决这一问题，采用了晶格原子替代和空位填充等方法。其中，Fe的掺杂被认为是一种有效的策略，因为它能够有效降低热导率，同时提高Seebeck系数。研究结果表明，Fe的掺杂不仅改善了材料的热电性能，还增强了其机械性能和结构稳定性。这些特性使得FeCo?Sb??合金在高温下表现出更好的热电性能，特别是在热电转化效率方面。

在实际应用中，热电材料需要满足特定的操作条件，例如高热冲击抗性和汽车废热回收需求。因此，本研究选择了基于CoSb?的skutterudite合金Co?Sb??和其Fe掺杂的FeCo?Sb??作为研究对象。研究发现，PbTe虽然是一种良好的热电材料，但其较差的热冲击抗性限制了其在汽车应用中的使用。而其他热电材料如半Haeusler和Clathrate则含有大量昂贵的元素，如Hf和Ge，这使得它们在大规模生产中成本较高。因此，选择具有低成本和良好热电性能的材料对于满足未来汽车应用的需求至关重要。

本研究不仅关注了Fe掺杂对Co?Sb??合金的结构和电子特性的影响，还探讨了其磁性和输运特性。研究发现，Fe的掺杂对磁性有一定影响，但整体磁矩仍然较低，表明Fe的掺杂并未显著改变材料的磁性特性。在输运特性方面，研究团队基于玻尔兹曼半经典输运理论，计算了FeCo?Sb??合金的输运系数，结果表明其具有良好的电荷传输性能。此外，研究还指出，Fe掺杂对材料的弹性特性产生了显著影响，导致晶格膨胀和晶格变软，这可能会影响材料的机械性能。然而，研究结果表明，FeCo?Sb??合金仍然表现出良好的机械性能，使其在实际应用中具有广泛前景。

本研究的结果表明，Fe掺杂的Co?Sb??合金在热电性能方面具有显著优势。其较低的热导率和较高的Seebeck系数使得其在高温下表现出更好的热电转化效率。此外，Fe掺杂对材料的结构和弹性特性产生了积极影响，使其在机械性能方面更加稳定。这些特性使得FeCo?Sb??合金成为一种有潜力的热电材料，特别是在汽车应用中。研究还指出，Fe的掺杂能够有效降低材料的热导率，同时提高其热电性能，这为未来热电材料的设计和优化提供了新的思路。

从更广泛的角度来看，热电材料的研究不仅涉及其热电性能的优化，还关注其结构、电子、磁性和机械性能的综合表现。这些特性共同决定了热电材料在实际应用中的性能和稳定性。因此，本研究对Fe掺杂的Co?Sb??合金的全面分析，为理解其热电性能提供了重要的理论依据。此外，研究还表明，Fe掺杂能够有效改善材料的热电性能，同时保持其结构和机械性能的稳定性，这为未来热电材料的开发和应用提供了新的方向。

本研究的成果对于推动热电材料在新能源和可持续发展领域的应用具有重要意义。特别是在汽车领域，热电材料可以用于回收发动机废热，提高能源利用效率，同时减少环境污染。此外，热电材料的低成本和良好性能使其在大规模生产中具有显著优势。因此，Fe掺杂的Co?Sb??合金作为一种新型热电材料，具有广阔的应用前景。研究还指出，Fe掺杂对材料的结构和弹性特性产生了积极影响，使其在机械性能方面更加稳定，这为热电材料在实际应用中的性能提升提供了重要支持。

综上所述，本研究通过第一性原理计算和理论分析，对Fe掺杂的Co?Sb??合金的结构、电子、磁性和输运特性进行了深入探讨。研究结果表明，Fe掺杂能够有效改善材料的热电性能，同时保持其结构和机械性能的稳定性。这些特性使得FeCo?Sb??合金成为一种有潜力的热电材料，特别是在高温下表现出更好的热电转化效率。此外，Fe掺杂对材料的弹性特性产生了显著影响，使其在机械性能方面更加稳定，这为热电材料在实际应用中的性能提升提供了重要支持。研究的成果不仅有助于理解热电材料的性能优化机制，也为未来热电材料的设计和应用提供了新的思路和方向。