我组在Zn空位调控Cu₂ZnSnSe₄晶格热导率研究中取得新进展

晶格热导率是影响热电材料性能的重要参数。缺陷工程是调控材料晶格热导率的有效手段，但准确预测缺陷对晶格热输运性质的影响仍面临挑战。Cu₂ZnSnSe₄是一种具有类金刚石结构的四元化合物，在热电和光伏领域具有应用潜力。该材料中存在多种本征缺陷，其中Zn空位能够引起局部质量分布差异及原子间键合环境的改变，从而影响声子输运。近日，我组结合第一性原理计算、机器学习势函数和分子动力学模拟，系统研究了Zn空位对Cu₂ZnSnSe₄晶格热导率的影响，揭示了缺陷抑制热输运的微观机制。

研究中，团队首先基于第一性原理计算构建了包含无缺陷晶体和Zn空位结构的训练数据集，并通过主动学习方法训练神经进化势（NEP），实现了对不同缺陷结构的准确描述。在此基础上，结合均匀非平衡分子动力学（HNEMD）方法，计算了不同Zn空位浓度下Cu₂ZnSnSe₄的晶格热导率，并利用声子谱能量密度（SED）分析进一步研究了声子输运特征及寿命变化。

研究结果表明，完整Cu₂ZnSnSe₄晶体在300 K下具有近似各向同性的晶格热导率，其面内和面外方向的热导率分别为6.2±0.4 W·m^-1K^-1和5.4 ± 0.6 W·m^-1K^-1。随着Zn空位浓度增加，材料的晶格热导率在面内和面外方向均呈单调下降趋势。当Zn空位浓度达到6%时，两个方向的晶格热导率分别降低至3.4 ± 0.3 W·m^-1K^-1和2.9 ± 0.4 W·m^-1K^-1，较无缺陷晶体降低约45%。

进一步的声子谱能量密度分析揭示了Zn空位抑制热输运的微观机制。研究发现，Zn空位对低于40 cm^-1的声子寿命影响较小，而对40–90 cm^-1频率范围内的声子产生了显著的散射作用，使其寿命明显缩短。由于低于90 cm^-1的声子贡献了材料90%以上的晶格热导率，因此，该频率范围内声子散射增强及寿命缩短是Zn空位显著降低材料晶格热导率的主要原因。

该研究将第一性原理计算、机器学习势函数与分子动力学模拟相结合，系统研究了含缺陷复杂晶体体系的热输运性质，揭示了Zn空位引起的声子散射及其对晶格热导率的影响，为理解Cu₂ZnSnSe₄及相关四元化合物中的缺陷调控热输运机制提供了微观认识，并为相关材料的热电应用提供了理论参考。

相关成果以“Impact of Zn vacancies on the lattice thermal conductivity of diamond-like Cu₂ZnSnSe₄: A first-principles machine-learning molecular dynamics study”为题，发表于国际知名传热领域期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》（2027年，第274卷，129814）。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2026.129814