轨道选择性能带工程在p型Ru2Ti1−xHfxSi全豪斯勒热电材料中实现高zT

将废热转化为有用的电能

每天，工厂、电厂甚至汽车发动机都向空气中排放大量热量。热电材料有望捕捉这些被浪费的热能并直接将其转化为电力，无需机械运动、运行安静。本文探讨了一类由钌、钛、铪和硅组成的新型耐用合金，它们将这种较少人知的热电材料家族的性能推向纪录水平，为高温环境中更耐久的器件打开了可能性。

这些合金为何重要

热电器件基于一个简单的原理：如果材料的一侧很热而另一侧很冷，二者之间会产生电压。该转换效率由一个单一数值zT表征，它综合了材料的电导、对温差的响应强度以及传热能力。几十年来，用于实际器件的最佳材料包括碲化铋和基于铅或锡的硫属化合物。它们性能良好，但可能机械较软、含有毒或稀缺元素，且有时在高温下会降解。相比之下，豪斯勒化合物——由金属与主族元素按序排列组成的化合物——机械强度高、化学稳定且由更常见的元素构成，使其成为适合长期安装在热管道或烟道上的发电装置的有吸引力选择。

对有前景材料的新演绎

在豪斯勒化合物中，一种称为Ru2TiSi的体系已因其热电潜力而受到关注。早期工作主要研究了其n型形式（载流子为电子）。然而理论显示，p型版本（热驱动空穴）可能表现更好——尤其是当电子与空穴的内部能量格局，即所谓的能带，可以被调控时。在这项研究中，研究者正是通过逐步用较重的铪替代部分钛原子，制备出一系列成分表示为Ru2Ti1−xHfxSi的化合物。这个细微的原子替换使他们能够探查结构、热流和电响应如何共同演化，并寻找使三者在同一处达到最大zT的最佳成分区。

在晶体中寻找最佳点

团队首先绘制了晶体结构在保持均匀相的情况下可容纳的铪含量范围。通过X射线衍射和电子显微镜，他们表明在约20%铪含量以内，材料保持单一、良序的相并且晶格平滑膨胀。超出该限度时，材料会分解成成分不同的多区域，这会损害热电性能。在安全范围内，电学行为呈现出有意义的变化：塞贝克系数（衡量温差驱动电压的强度）仍保持较大值，但随着铪含量增加，其峰值出现于略低的温度。同时，尽管引入了原子无序，电阻率并未恶化，甚至略有改善。这种不同寻常的组合源于空穴导电的主要通道由以钌为主的态承担，而这些态对用铪替代钛不太敏感。

抑制热流同时保留电流

铪真正发挥作用之处在于阻断由晶格振动载运的热流。铪比钛更重、更大，会在晶体中引入显著的质量和应变差异，这些差异散射晶格振动并显著降低晶格对热导的贡献。测量表明，随着铪含量增加，这部分热流明显下降，而支撑良好电导的电子迁移率并未因此牺牲。将降低的热导与稳健的电学响应结合，在700到1000开尔文范围内，成分为Ru2Ti0.8Hf0.2Si时实现了约0.7的创纪录zT。作者指出，这是迄今为止任何块体全豪斯勒热电材料报道的最高优值，超过了诸如基于Fe2VAl的广泛研究的同类材料。

窥探电子“引擎”内部

为理解为何替换铪如此有效，研究者采用了简化的“双能带”电子结构模型，并辅以详细的量子力学计算。分析显示，加入铪使得已占据态与空态之间的能隙增宽，并将费米能级——将大部分已占据态与大部分空态分隔开的能量——向价带顶部推进。同时，最低空态的成分从以钛为主逐渐转向以钌为主，当体系趋向完全替换的Ru2HfSi时尤为明显。这些变化重新平衡了电子与空穴对输运的贡献，帮助在晶格被扰动时仍维持强劲的热电响应。模型还表明，通过对载流子数进行适度调整，例如在不同原子位轻度掺入铝或其他重元素，可以提高功率因子，并且如果已经较低的热导还能进一步降低一点，zT有望超过1。

这对未来器件意味着什么

简言之，这项工作表明，精心选择要替换的原子可以选择性地扰乱热流，同时保留或甚至增强电流——这正是热电工程师所追寻的组合。p型Ru2Ti0.8Hf0.2Si化合物为全豪斯勒材料设定了新的基准，并验证了早先对这些体系p型版本可优于其n型对应物的预测。作者认为，通过额外的调优和共掺杂，更高的效率可望实现。对于希望利用耐用、长寿命模块从热设备或排气流中回收能量的产业界而言，这些发现突出了材料研究中一个有前途且相对未被充分探索的方向。

引用: Garmroudi, F., Serhiienko, I., Parzer, M. et al. Orbital-selective band engineering realizes high zT in p-type Ru₂Ti_1−xHf_xSi full-Heusler thermoelectrics. Nat Commun 17, 2878 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69799-x

关键词: 热电材料, 豪斯勒合金, 余热回收, 能带工程, 晶格热导率