神秘合金被中國科學家「驗明正身」，有望成星際旅行新材料

鈮鈷銻合金（NbCoSb）

曾是一種身份不明的合金材料，

「外表」是金屬的，

而「個性」更像半導體。

因為有望成為新一代高溫熱電材料，

許多科學家都嘗試過合成純的1:1:1的鈮鈷銻，

可至今沒人成功過……

圖(a).NbCoSb試樣拋光面的背散射電子像(BSE)照片中有明顯的襯度變化，表明試樣中存在大量的第二相或元素組成變化。圖(b)-(e).Nb0.80CoSb試樣腐蝕面的二次電子像(SEM)照片及X射線能譜元素分布圖表明，在雖然Nb0.80CoSb中元素存在有大量的Nb缺量(空位)，但試樣中的各元素分布均勻，並沒有發生明顯偏析現象。 來源：課題組

近日，浙江大學材料科學與工程學院朱鐵軍教授的實驗室，製成了高純度的鈮鈷銻合金。它糾正了科研人員長久以來的一個認識誤區——1:1:1的鈮鈷銻合金並不存在！穩定的鈮鈷銻合金，不屬於標稱的19電子體系金屬，而是自帶「缺陷」的18電子體系半導體，一類正宗的半導體熱電材料。

被誤解多年的鈮鈷銻合金，終於回到半赫斯勒熱電材料的大家族，同時，這為科學家尋找新的熱電材料拓展了方向。

熱電材料成為星際旅行的「乾糧」

可以說，熱電材料無處不在。日常生活中的酒櫃、飲水機、車載冰箱等能夠安安靜靜工作，就是靠一塊熱電材料實現保溫保冷。

熱電材料是一種能實現電能與熱能相互轉換的材料。在車載冰箱中，熱電材料利用電流產生吸熱效應，從而發揮保冷功能。

旅行者號用的「核能電池」

熱電材料的另一個應用場景，是溫差發電。在曠遠持久的星際旅行中，外太空探測器無法得到陽光的補給，必須自帶「乾糧」——核能電池。放射性同位素自然衰變產生熱，藉助於熱電材料，就能夠實現溫差發電。

「溫差發電或許是深空探測目前唯一的供能方案，」從博士生時期到現在，朱鐵軍教授研究熱電材料已經20年了，「熱電材料特別適合搜集移動的、分散的能量，比如將汽車排氣管的餘熱轉換為電能，相當於一個小型的移動電廠。」因為小型、靜音、零損耗等優點，全世界科學家都在尋找性能優良的熱電材料，以適應多種工作環境。半赫斯勒合金就是其中一類。

半赫斯勒合金的名字來自於19世紀的一位採礦工程師康拉德·赫斯勒。他偶然發現，將不含磁性的銅、錳和錫以2:1:1的比例製成合金，合金會產生磁性，命名為赫斯勒合金。而以1:1:1比例製成的合金，則稱為半赫斯勒合金。

許多半赫斯勒合金具有半導體特性，表現出很好的熱電性能，穩定性和機械性能突出，是優質的熱電材料。「熱電材料有不同的溫度工作區間，我們的興趣在於耐600℃以上高溫的半赫斯勒材料。」朱鐵軍說。

做不出高純鈮鈷銻，誰的錯？

「為什麼純的1:1:1的鈮鈷銻合金做不出來？」

「是技術還達不到？還是本身就不存在這種比例的合金？」

朱鐵軍被一連串問題困擾著。在半赫斯勒合金家族中，有一條明晰的分界線，外層電子數18的合金能形成穩定的立方晶體結構，表現出半導體特性；而外層電子數是17或者19的，則為金屬。熱電材料都來自於18電子體系的半赫斯勒合金。例如鋯鎳錫，就是一種典型的18電子體系半赫斯勒合金。

根據元素周期表，1:1:1的鈮鈷銻合金的外層電子數為19，科學家將其標定為金屬。但這種金屬的「個性」卻更趨向半導體。「它不像是一個簡簡單單的金屬，熱電性能要比一般金屬好很多。」美國休斯頓大學任志峰教授課題組的一篇論文讓朱鐵軍若有所悟。

加州理工學院Jeff Snyder教授課題組進行了大量理論演算，認為比例為0.8:1:1的18電子鈮鈷銻更穩定。由於在實驗上他們無法製備0.8:1:1的鈮鈷銻，Snyder教授給朱鐵軍教授發來一封郵件，提出能否在浙大通過實驗來進一步探究這個疑問。

驗明正身：真18，假19

朱鐵軍的實驗室里，有一台先進的磁懸浮熔煉儀器。它就像一個磁場驅動的攪拌器，利用磁場產生渦流，一邊將金屬原料融化並懸浮於容器中，一邊持續「攪拌」，以達到最大程度的均質混合。利用這台儀器，博士生夏凱陽得到了高純度的鈮鈷銻。

X射線衍射結果讓朱鐵軍的心中的謎團漸漸解開：果然不是1:1:1，而是0.8:1:1!經過測試，這種高純度材料的熱電優值（ZT）為0.9,遠遠高出了之前已經報道的0.4。「雖然0.9的數值在熱電材料中並不算突出，但這足以讓我們感到興奮！」朱鐵軍說，「我們終於知道，鈮鈷銻原來是一種陽離子缺位的18電子體系，而不是19電子體系。」

「這有點像我們玩的抽積木遊戲，」朱鐵軍從微觀結構解釋了這種現象，「在0.8:1:1的鈮鈷銻材料中，有原子缺位了。就像抽掉了一根積木，它依然還是穩定的正方體結構。」

這項研究給科學家尋找新的熱電材料打開了新的視野。「所謂的19電子半赫斯勒化合物，有部分其實是陽離子缺位的18電子體系，通過調節點缺陷，我們可顯著改善熱電性能。」 朱鐵軍說。同時，該材料並有望成為未來外太空探測器發電的新材料。

該研究的相關論文「Enhanced Thermoelectric Performance in 18‐ElectronNb0.8CoSb Half‐Heusler Compound withIntrinsic Nb Vacancies（具有本徵Nb空位的18電子鈮鈷銻半赫斯勒化合物中增強的熱電性能）」發表於Advanced Functional Materials（《先進功能材料》）雜誌。

文中圖片均來自網路

編輯：梁 偉

審核：王小龍

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