重庆师范大学靳鑫Inorg. Chem.：拓扑声子化合物MgSnP2和MgSnAs2的热电性能

2025年11月13日，Inorg. Chem.在线发表了重庆师范大学物理与电子工程学院靳鑫副教授团队的研究论文，题目为《Prediction of Thermoelectric Performance in Topological Phonon Compounds MgSnP2 and MgSnAs2》，论文的通讯作者为重庆师范大学的靳鑫副教授和余鹏教授以及重庆大学的杨小龙副教授，第一作者为袁美琳和魏皓然。

当前社会对化石燃料的依赖导致全球变暖与能源短缺加剧，热电材料作为实现热能与电能相互转化的关键材料，凭借固态运行、安全环保等优势，成为可持续能源利用的重要途径。目前商用热电材料多基于Bi2Te3与PbTe，但其成分中稀有、有毒元素限制了大规模应用；而镁基化合物以地球储量丰富、环境友好的优势，成为热电材料研究新方向，不过现有镁基材料ZT值仍有提升空间，亟待开发性能更优的新候选材料。

此研究通过第一性原理计算，系统探究了两种镁基半导体化合物 MgSnP2与 MgSnAs2的热电性能。MgSnP2与MgSnAs2以环保镁为核心成分，规避传统材料缺陷，兼具低晶格热导率、高功率因子与优异ZT值（最高1.31），能量转换效率突出。研究阐明了拓扑声子特性（节线、外尔点）对声子输运的调控作用，证实原子键强度、晶格非简谐性是热导率差异的关键，明确载流子散射机制与最优掺杂类型（p型）对电输运性能的影响。研究结果证实了MgSnP2与MgSnAs2是极具潜力的热电材料候选者，并为下一代镁基热电材料的设计提供了基础指导原则。

图1. (a) MgSnP2和MgSnAs2的晶体结构。(b)（0 1 0）表面的三维体布里渊区及投影表面布里渊区。(c, d) 声子色散曲线及态密度。(e, f) Γ-X-P、Γ-M-S和Γ-X-R高对称点附近的声子色散曲线及不可约表示（IRs）放大图。(g, h) 投影到半无限（0 1 0）表面的局域态密度。

图 2. (a, b) MgSnP2和MgSnAs2的三声子与四声子过程的晶格热导率随温度的变化关系。(c, d) 300 K下两种化合物的三声子与四声子过程的散射率。(e, f) 群速度。(g, h) 300 K下两种化合物的三声子与四声子过程的累积晶格热导率随频率的变化关系。

图3. (a, b) MgSnP2和MgSnAs2的能带结构及对应的电子总态密度与分态密度。(c, d) 能量依赖的声学形变势（ADP）、极性光学声子（POP）及电离杂质（IMP）散射的对比。(e, f) p 型和n 型MgSnP2和MgSnAs2的载流子迁移率随温度的变化关系。

图4. （a, b）p型MgSnP2和MgSnAs2的热电优值。(c, d) n型MgSnP2和MgSnAs2的热电优值。（e, f）300-800 K温度范围内p型和n型MgSnP2与MgSnAs2的平均热电优值。

论文链接：DOI: 10.1021/acs.inorgchem.5c03819