哈工大（深圳）宣】（端思晨 文/图）近日，哈工大深圳校区前沿学部材料科学与工程学院张倩、毛俊教授团队在高性能半赫斯勒热电材料领域取得重要进展，团队通过构建热电材料实验相图指导设计出了高性能半赫斯勒热电材料。研究成果以《调幅分解提高半赫斯勒材料热电性能》（Spinodal decomposition promoting high thermoelectric performance in half-Heusler）为题发表在《焦耳》（Joule）上。该研究结合相图方法设计合成高性能热电材料，为其他新型热电材料的开发提供重要参考。

热电材料是一种具有广阔应用前景的绿色可持续能源材料，近年来受到广泛关注。目前，其性能优化主要依赖于第一性原理计算指导下的能带工程调控以及试错性的微结构调控。理论计算一般未能充分考虑材料实际制备的可行性，而通过试错性微结构调控优化声子输运的策略也因复现性较差而面临挑战。基于相图的材料设计是一种高效且可行的策略，已成功指导多种高性能商业化材料的开发，充分展现出相图在材料研发中的重要作用。然而目前仍缺乏专门针对热电材料的相图数据库，亟需进一步构建和完善，以推动高性能热电材料的研制。

研究团队采用平衡合金法精准确定了钛镍锡-锆镍锡-铪镍锡（TiNiSn-ZrNiSn-HfNiSn）伪三元体系的相分离边界，并基于平衡相图优化材料组分，系统探讨了钛锆铪镍锡合金（Ti1-x-yZrxHfyNiSn）在热处理前后的电热输运性能演变机制，研究揭示了热处理后的热电性能解耦合现象源于独特的微观结构调控。通过原位透射电子显微镜观察到钛锆铪镍锡合金（Ti0.5Zr0.25Hf0.25NiSn）组分内部形成了各向异性的调幅分解条纹，进一步结合相场模拟分析表明，由于弹性应变能的各向异性，该条纹结构倾向于沿着弹性应变能较小的〈111〉方向生长。随着时效延长，相内成分逐渐均匀，使得载流子迁移率显著提升。然而，在两相界面处，由于应力集中，产生了失配位错，有效抑制了声子输运，进而降低了材料的晶格热导率。

最终，基于相图优化设计的钛锆铪镍锡合金（Ti0.5Zr0.25Hf0.25NiSn0.99Sb0.01）在773 K时热电优值（zT）达到~1.45，300-973 K温度范围内zTavg值达到1.1。该材料与p型铌铪铁锑合金（Nb0.86Hf0.14FeSb）组成半赫斯勒“双高”热电发电模块，在温差为653 K时，模块最大转换效率为~ 12 %，功率密度为~ 3.7 W cm-2，高于目前文献报道值。该项研究证明了相图工程在设计高性能热电材料方面的巨大潜力，为热电材料的理性设计和高效应用提供了新的思路和科学依据。

图1 通过调幅分解实现高热电发电器件。（a）构建钛镍锡-锆镍锡-铪镍锡（TiNiSn-ZrNiSn-HfNiSn）等温截面相图确定相分离区间，（b）热处理过程电热输运解耦合示意图，（c）迁移率和晶格热导率关系，（d）钛镍锡-锆镍锡-铪镍锡（TiNiSn-ZrNiSn-HfNiSn）热电性能相图，（e）300-973 K温度范围内平均热电优值（zT值）对比，（f）最大功率密度与热电转换效率关系。

哈工大深圳校区为论文第一完成单位，深圳校区博士研究生端思晨为论文第一作者，博士研究生包鑫、深圳校区施荣沛教授和南昌大学黄家威为共同第一作者。深圳校区张倩教授、毛俊教授、曹峰教授，中国科学院物理研究所王玉梅副研究员为论文通讯作者。深圳校区刘兴军教授，李孝芳副研究员，博士研究生薛文华、王建，以及香港大学博士后姚洪浩和南昌大学费林峰教授参与相关研究工作。

该研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省卓越青年团队和深圳市科技项目支持。（编辑 金慧 审核 张惠屏 谢梁晖）

原文链接：https://kwnsfk27.r.eu-west-1.awstrack.me/L0/https:%2F%2Fauthors.elsevier.com%2Fa%2F1kjH6925JEVNYW/1/010201956c2bb388-0dfeed67-f2fd-4c86-9e76-b330fbf36e10-000000/yXg3XeUhvyn4imVXnyUPpXs_zis=416