英文原题：Impact of SiC Nanodispersions on the Thermoelectric and Mechanical Properties of Magnetic Co₂MnSi Full-Heusler Alloys

作者团队：清华大学李和章博士后、王超教授、李敬锋教授等  

关键词：赫斯勒合金、热电材料、纳米复合材料、机械强度、多功能器件  

热电材料因其能将废热直接转化为电能的能力备受关注，而高性能热电材料的核心在于优化其热电优值(ZT)。近日，清华大学李和章博士后、王超教授、李敬锋教授等在《ACS Applied Energy Materials》发表有关磁性Co₂MnS全赫斯勒热电合金研究成果，发现复合碳化硅(SiC)纳米颗粒可提升ZT值5倍，同时显著增强材料机械强度，热电转换与多功能器件开发提供了新思路。

研究背景：全赫斯勒合金热电材料的瓶颈与突破方向

半金属性全赫斯勒合金Co₂MnSi，因其高功率因子(PF)被视为有潜力的n型热电材料。然而，其金属特性导致本征热导率过高(约22 W/mK)，限制了ZT值的提升。传统方法如元素掺杂或合金化虽能降低热导率，但电输运性能优化效果有限。研究团队另辟蹊径，提出纳米复合策略引入高硬度和化学稳定的SiC颗粒，在降低热导率的同时维持高电导率，突破性能瓶颈。

创新方法：SiC纳米复合策略 

团队采用球磨与放电等离子烧结(SPS)技术，将SiC纳米颗粒均匀分散至Co₂MnSi基体中。透射电镜(TEM)观察到SiC颗粒主要分布于晶界处，与基体界面洁净且部分共格(图1b)，有效增强声子散射。球磨过程中伴生的纳米SiO₂颗粒进一步抑制热传导，总热导率在1025 K时从22 W/mK骤降至5 W/mK，降幅达77%（图1a）。

性能突破：ZT值提升5倍，机械强度增强40%

热电性能：复合SiC未显著影响电导率与塞贝克系数，功率因子(PF)峰值达1.99 mW/mK²。结合热导率降低，Co₂MnSi/SiC复合材料的ZT峰值在1025 K时达到0.15，较同类材料提升显著。

机械性能：归因于SiC的弥散强化与晶粒细化效应，改良小冲孔(MSP)测试发现性能最优样品的机械强度达241.6 MPa，较无SiC纳米颗粒分散样品(173.2 MPa)提高40%(图2a)，明显优于商用Bi₂Te₃等传统热电材料(图2b)。

磁性保留：磁滞回线显示，引入SiC不改变Co₂MnSi的饱和磁化强度(1.3 μB/f.u.)与矫顽场(20 kOe)，为后续开发兼具热电与磁性的多功能器件奠定基础。

应用验证：固态制冷器件初显潜力

基于Co₂MnSi/SiC复合材料(n型)与(Bi,Sb)₂Te₃(p型)组装的制冷模块(图3a)，在11 A电流下可实现7.5 K的温差制冷(图3b)，证明了全赫斯勒合金在高温热电领域的应用潜力。

展望：纳米复合策略的普适性 

此工作开辟了Co₂MnSi合金性能优化新途径，也为其他全赫斯勒与半赫斯勒材料的热导率调控提供借鉴。未来通过协同优化载流子浓度与界面设计，有望进一步提升ZT值。材料的多功能特性(热电-磁耦合)或将在自旋电子学与能量回收领域催生创新应用。

图1. (a)热导率随温度变化；(b) 声子与电子散射机制及热导率降低机理图。

图2. 机械强度对比图。

图3. (a)器件图，(b)制冷性能。

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ACS Applied Energy Materials. 2025, ASAP

Publication Date: May14, 2025

https://doi.org/10.1021/acsaem.5c00578 

Copyright © 2025 American Chemical Society

Editor-in-Chief

Xing Yi Ling

Nanyang Technological University

Deputy Editor

Yiying Wu

Ohio State University, USA

ACS Applied Energy Materials是一本发表原创研究的跨学科期刊，研究方向涵盖材料，工程，化学，物理和生物学方面与能源转换和存储相关的可持续应用 

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