Enhancing Thermoelectric Performances of Hf-Free ZrNiSn-Based Half-Heusler Alloys by Multisite Element Modulation

材料科学 热电效应 调制(音乐) 热电材料 休斯勒化合物 冶金 凝聚态物理 复合材料 热力学 金属 热导率 美学 物理 哲学
作者
Xinghui Wang,Lifeng Jiang,Jian Liang,Wen Zhang,Huijun Kang,Enyu Guo,Zongning Chen,Rongchun Chen,Tongmin Wang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (31): 44552-44561 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.5c10069
摘要

Hf alloying at the Zr site is an effective method to suppress the lattice thermal conductivity (κl) toward high thermoelectric (TE) performance for ZrNiSn-based half-Heusler TE materials. However, the high cost of the Hf element limits its large-scale application. Herein, we propose the multisite element modulation strategy for enhancing TE performances. At the initial stage, Nb–Ni codoping shifts the Fermi level into the conduction band, and the power factor increases by 25.3% over the pristine ZrNiSn. Subsequently, Ge–Si codoping induces multiscale defects such as point defects, dislocations, and nanoprecipitates to reduce the κl. Benefit from the comprehensive optimization of the electric-thermal properties, Zr0.96Nb0.04Ni1.04Sn0.95Ge0.025Si0.025 obtains a figure of merit (zT) of ∼0.78 at 923 K, representing a 29.6% improvement, compared to that of pristine ZrNiSn. Furthermore, due to the solid-solution strengthening and the grain refinement, the Vickers hardness of the ZrNiSn-based half-Heusler alloys (HHs) is further enhanced as well. This work achieves the collaborative optimization of the TE and mechanical performances of TE materials, proposing a new strategy for the development of Hf-free ZrNiSn-based HHs.
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