结构相变对CoP3热电性能的压力诱导增强
热电 (te) 发电是回收废热并将其转化为可用电能的长期解决方案，激发了该领域日益增长的热情。尽管这些材料有可能提供可靠的能量产生和废热能量减少技术，但它们的实际应用在很大程度上取决于它们的效率。te 设备的效率由无量纲品质因数定义，zt = s2σt/κ，其中 s、σ、t 和 κ 分别是塞贝克系数、电导率、绝对温度和热导率。由于传输参数相互冲突，很难在不恶化其他参数的情况下优化一个参数。
利用粒子群优化和第一性原理计算，来自宁波大学的学者发现了空间群为 pnma 的 cop3 的新型高压正交结构，其在 24.6 gpa 以上稳定。根据本研究基于玻尔兹曼输运理论的计算，在空穴浓度为 1×1020 cm−3时，pnma 相的塞贝克系数是环境 im-3 相塞贝克系数的 6.5 倍。计算进一步表明 pnma- cop3 在 800 k 时，p 型和 n 型的最大品质因数 zt 分别为 0.56 和 0.74。特别是对于 p型，pnma-cop3 比 zt 为 0.1 的环境相好五倍。较高的 zt 值可归因于费米能级附近 p p 态和 co d 态之间杂化产生的更深的投影态密度。因此，高压主要通过调节电子特性来提高zt值。结果表明，pnma-cop3 材料是热电应用的有竞争力的候选材料，尤其是在高温条件下 (800 k)。这项工作为提高方钴矿的热电性能提供了一种方便的替代途径。相关文章以“pressure-induced enhancement of thermoelectric performance of cop3 by the structural phase transition”标题发表在acta materialia。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118773
图 1. 计算得到的各种结构的每个公式单元的焓随本研究预测的 im-3 相的压力而变化。插图表示作为压力函数的 cop3 每个配方单位的体积
图 2. 预测的cop3 化合物的稳定结构：(a) 0 gpa 的 im-3 相，(b) 24.6 gpa 的 pnma 相，(c) 41.3 gpa 的 c2/c 相和 (d) c2/m 相在60.5 gpa。
图 3. cop3的电子能带结构和预计 dos：(a) 0 gpa 的 im-3 相，(b) 24.6 gpa 的 pnma 相，(c) 41.3 gpa 的 c2/c 相和 (d) c2/ m 相在 60.5 gpa。
图 4. elf 结构的配置 (a) 0 gpa 的 im-3 相，(b) 24.6 gpa 的 pnma 相，(c) 41.3 gpa 的 c2/c 相，(d) c2/m 相在60.5 gpa 等值面为 0.8。
图 5. cop3的计算总 dos：(a) 0 gpa 的 im-3 相，(b) 24.6 gpa 的 pnma 相和 41.3 gpa 的c2/c 相。在费米能级能量为零。
图 6. 计算的cop3 电子传输系数作为 300 k 下不同方向载流子浓度的函数。x、y 和 z 方向分别由实线、虚线和点线表示。p 型和 n 型掺杂的塞贝克系数和电导率（相对于 τ）分别显示在左面板和右面板上
图 7. cop3的 zt 值计算为 300 k（上图）和 800 k（下图）下载流子浓度的函数。实线、虚线和点线分别表示 x、y 和 z 方向。p 型掺杂的 zt 值显示在左侧面板上，而 n 型掺杂的 zt 值显示在右侧面板上
总之，本研究利用群体智能结构搜索和第一性原理计算，广泛探索了高压下cop3 的晶体结构。可以看出，分别在 24.6、41.3 和 60.5 gpa 下获得正交晶系 pnma、单斜晶系 c2/c 和c2/m 相。通过声子计算，所有结构在各自的压力范围内都是动态稳定的。本研究发现 pnma 相的塞贝克系数高于环境相。进一步的分析揭示了更高塞贝克系数的带边缘附近更陡峭的 dos，表明压力调节了 cop3 丰富的电子特性。p 型和 n 型 pnma-cop3的最大 zt 值可以达到 0.56 和 0.74，这是由于在 800 k 的高压下塞贝克系数较高。因此，高压 pnma 相可以使 cop3 成为热电应用的有前途的候选者，尤其是在 800 k 的高温下。
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论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118773
图 1. 计算得到的各种结构的每个公式单元的焓随本研究预测的 im-3 相的压力而变化。插图表示作为压力函数的 cop3 每个配方单位的体积
图 2. 预测的cop3 化合物的稳定结构：(a) 0 gpa 的 im-3 相，(b) 24.6 gpa 的 pnma 相，(c) 41.3 gpa 的 c2/c 相和 (d) c2/m 相在60.5 gpa。
图 3. cop3的电子能带结构和预计 dos：(a) 0 gpa 的 im-3 相，(b) 24.6 gpa 的 pnma 相，(c) 41.3 gpa 的 c2/c 相和 (d) c2/ m 相在 60.5 gpa。
图 4. elf 结构的配置 (a) 0 gpa 的 im-3 相，(b) 24.6 gpa 的 pnma 相，(c) 41.3 gpa 的 c2/c 相，(d) c2/m 相在60.5 gpa 等值面为 0.8。
图 5. cop3的计算总 dos：(a) 0 gpa 的 im-3 相，(b) 24.6 gpa 的 pnma 相和 41.3 gpa 的c2/c 相。在费米能级能量为零。
图 6. 计算的cop3 电子传输系数作为 300 k 下不同方向载流子浓度的函数。x、y 和 z 方向分别由实线、虚线和点线表示。p 型和 n 型掺杂的塞贝克系数和电导率（相对于 τ）分别显示在左面板和右面板上
图 7. cop3的 zt 值计算为 300 k（上图）和 800 k（下图）下载流子浓度的函数。实线、虚线和点线分别表示 x、y 和 z 方向。p 型掺杂的 zt 值显示在左侧面板上，而 n 型掺杂的 zt 值显示在右侧面板上
总之，本研究利用群体智能结构搜索和第一性原理计算，广泛探索了高压下cop3 的晶体结构。可以看出，分别在 24.6、41.3 和 60.5 gpa 下获得正交晶系 pnma、单斜晶系 c2/c 和c2/m 相。通过声子计算，所有结构在各自的压力范围内都是动态稳定的。本研究发现 pnma 相的塞贝克系数高于环境相。进一步的分析揭示了更高塞贝克系数的带边缘附近更陡峭的 dos，表明压力调节了 cop3 丰富的电子特性。p 型和 n 型 pnma-cop3的最大 zt 值可以达到 0.56 和 0.74，这是由于在 800 k 的高压下塞贝克系数较高。因此，高压 pnma 相可以使 cop3 成为热电应用的有前途的候选者，尤其是在 800 k 的高温下。
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