重慶師范大學靳鑫Inorg.?Chem.：拓撲聲子化合物MgSnP2和MgSnAs2的熱電性能

2025年11月13日，Inorg. Chem.在線發表了重慶師范大學物理與電子工程學院靳鑫副教授團隊的研究論文，題目為《Prediction of Thermoelectric Performance in Topological Phonon Compounds MgSnP2 and MgSnAs2》，論文的通訊作者為重慶師范大學的靳鑫副教授和余鵬教授以及重慶大學的楊小龍副教授，第一作者為袁美琳和魏皓然。

當前社會對化石燃料的依賴導致全球變暖與能源短缺加劇，熱電材料作為實現熱能與電能相互轉化的關鍵材料，憑借固態運行、安全環保等優勢，成為可持續能源利用的重要途徑。目前商用熱電材料多基于Bi2Te3與PbTe，但其成分中稀有、有毒元素限制了大規模應用；而鎂基化合物以地球儲量豐富、環境友好的優勢，成為熱電材料研究新方向，不過現有鎂基材料ZT值仍有提升空間，亟待開發性能更優的新候選材料。

此研究通過第一性原理計算，系統探究了兩種鎂基半導體化合物 MgSnP2與 MgSnAs2的熱電性能。MgSnP2與MgSnAs2以環保鎂為核心成分，規避傳統材料缺陷，兼具低晶格熱導率、高功率因子與優異ZT值（最高1.31），能量轉換效率突出。研究闡明了拓撲聲子特性（節線、外爾點）對聲子輸運的調控作用，證實原子鍵強度、晶格非簡諧性是熱導率差異的關鍵，明確載流子散射機制與最優摻雜類型（p型）對電輸運性能的影響。研究結果證實了MgSnP2與MgSnAs2是極具潛力的熱電材料候選者，并為下一代鎂基熱電材料的設計提供了基礎指導原則。

圖1. (a) MgSnP2和MgSnAs2的晶體結構。(b)（0 1 0）表面的三維體布里淵區及投影表面布里淵區。(c, d) 聲子色散曲線及態密度。(e, f) Γ-X-P、Γ-M-S和Γ-X-R高對稱點附近的聲子色散曲線及不可約表示（IRs）放大圖。(g, h) 投影到半無限（0 1 0）表面的局域態密度。

圖 2. (a, b) MgSnP2和MgSnAs2的三聲子與四聲子過程的晶格熱導率隨溫度的變化關系。(c, d) 300 K下兩種化合物的三聲子與四聲子過程的散射率。(e, f) 群速度。(g, h) 300 K下兩種化合物的三聲子與四聲子過程的累積晶格熱導率隨頻率的變化關系。

圖3. (a, b) MgSnP2和MgSnAs2的能帶結構及對應的電子總態密度與分態密度。(c, d) 能量依賴的聲學形變勢（ADP）、極性光學聲子（POP）及電離雜質（IMP）散射的對比。(e, f) p 型和n 型MgSnP2和MgSnAs2的載流子遷移率隨溫度的變化關系。

圖4. （a, b）p型MgSnP2和MgSnAs2的熱電優值。(c, d) n型MgSnP2和MgSnAs2的熱電優值。（e, f）300-800 K溫度范圍內p型和n型MgSnP2與MgSnAs2的平均熱電優值。

論文鏈接：DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5c03819