Struktur Kubus Rubik Membuka Potensi Heusler

Para ilmuwan telah menciptakan material Slater-Pauling Heusler yang unik dengan sifat semikonduktor, menawarkan potensi signifikan dalam aplikasi termoelektrik. Penelitian mereka mengungkapkan redistribusi unik elektron dan sifat termal material ini.

Baru-baru ini, peneliti dari Hefei Institutes of Physical Science (HFIPS) dari Chinese Academy of Sciences (CAS) merancang material Slater-Pauling (SP) Heusler dengan struktur unik menyerupai kubus Rubik. Bahan-bahan ini menunjukkan potensi dalam aplikasi termoelektrik karena sifatnya yang mirip semikonduktor.

Perilaku Semikonduktor Unik

“Dalam paduan semikonduktor Heusler tradisional, jumlah elektron valensi mengikuti aturan tertentu. Namun, senyawa SP Heusler ini melanggar aturan ini dan masih menunjukkan perilaku semikonduktor,” kata Zhuoyang Ti, penulis pertama makalah tersebut, “kami berhasil menjelaskan alasan yang mendasari fenomena ini dalam penelitian ini.”

Temuan ini telah dipublikasikan di Tinjauan FisikB.

Gambar 1. Struktur kristal TiFe1.5Sb dan MCo1.33Sn yang diprediksi secara teoritis dan susunan substrukturalnya. Kredit: Zhuoyang Ti

Eksplorasi Heusler tentang Senyawa Off-Stoikiometri

Beberapa senyawa off-stoikiometri Heusler diperkirakan menunjukkan karakteristik semikonduktor. Namun perilaku bonding di SP ini semikonduktor dan hubungan antara struktur kristal dan kinerja termoelektrik masih belum jelas.

Penelitian Mendalam tentang Sistem Heusler

Dalam penelitian ini, tim fokus pada dua sistem Heusler: Ti-Fe-Sb dan M-Co-Sn (M = Ti, Zr, Hf). Di kedua sistem, mereka memperkirakan TiFe stabil secara termodinamika_1.5Sb dan MCo_1.33Semikonduktor Sn SP.

Gambar 2. (a, b) Keadaan kepadatan atom (DOS) dan populasi orbital kristal Hamilton (COHP) TiFe1.5Sb. (c, d) Ilustrasi skema diagram orbital molekul (MO) pada pembentukan TiFe1.5Sb. Kredit: Zhuoyang Ti

Memahami Sifat Unik

Para peneliti lebih lanjut menjelaskan alasan di balik sifat unik senyawa tersebut.

Menggali lebih dalam, para peneliti menjelaskan sifat unik senyawa tersebut. Di luar geometri lokal HH dan FH yang dikenali, struktur SP ini menggabungkan substruktur cacat HH (DH) dan cacat FH (DF). Hal ini disebabkan oleh pendudukan sebagian atom Y (Fe atau Co) di situs Wyckoff 4d. Konsekuensi menarik dari hal ini adalah terbentuknya pola kubus Rubik orde kedua dan ketiga di TiFe_1.5Sb dan MCo_1.33Sn, disebabkan oleh penumpukan rutin substruktur ini.

Susunan unik ini adalah kunci dalam mendistribusikan ulang elektron di dalam kisi, yang mengarah pada pembentukan celah pita. Ini juga mengurangi suhu fonon Debye dan meningkatkan getaran anharmonik, yang pada gilirannya menekan konduktivitas termal kisi. Akibatnya, bahan-bahan ini menunjukkan konduktivitas termal yang lebih rendah dibandingkan senyawa HH dan FH tradisional. Secara khusus, nilai zT yang dihitung dari ZrCo tipe-p_1.33Sn mencapai 0,54 pada 1000K, berkat faktor daya yang tinggi dan konduktivitas termal yang rendah.

Kesimpulan dan Potensi Dampak

“Penelitian kami memprediksi semikonduktor SP Heusler unik dengan kemampuan termoelektrik yang luar biasa dan mengklarifikasi mekanisme fisik yang mendorong kemunculannya,” kata Zhuoyang Ti.

Referensi: “Sifat ikatan semikonduktor Slater-Pauling Heusler seperti kubus Rubik untuk termoelektrik” oleh Zhuoyang Ti, Jianbo Zhu, Shuping Guo, Jingyu Li, Xiaobing Liu dan Yongsheng Zhang, 15 November 2023, Tinjauan FisikB.
DOI: 10.1103/PhysRevB.108.195203