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Science報道北航熱電材料研究新進展

儀表研發 2019年10月22日 08:55:38 來源:北京航空航天大學人氣:18092
  【儀表網 儀表研發】2019年9月27日,Science雜志刊登了北京航空航天大學趙立東教授課題組在熱電材料研究上取得的新進展:《High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals》,發現并利用硫化錫(SnS)的多個能帶隨著溫度的演變規律,通過引入Se優化調控了有效質量和遷移率的矛盾,在儲量豐富、成本低廉、環境友好的SnS晶體材料中實現了高的熱電性能(Science, 2019, 365, 1418-1424, DOI: 10.1126/science.aax5123)。
 
  熱電材料因其固態的熱能和電能相互轉化效應,這些年一直是國際材料科學和固體物理研究的前沿和熱點。表現突出的熱電材料主要集中于IV-VI族化合物,比如:GeTe,PbTe,PbSe,PbS,SnTe,SnSe等。這些化合物中,Ge、Te含量稀有,Pb高毒性。因此,開發廉價無毒的高性能的熱電材料對于提升熱電材料的環保特性與應用價值具有重要意義。
 
  SnS結構與高性能熱電材料SnSe類似,而且原料更加豐富廉價,但其載流子遷移率較低,限制了熱電性能。
 
  熱電材料不但需要好的電導率,也需要大的溫差電動勢,這是一對受載流子濃度制約的矛盾。該工作主要集中在溫差電動勢和電導率的優化上,即有效質量m*和遷移率μ的協同調控(也是一對矛盾),調控的優化程度可由品質因子β來衡量,β∝μ(m*)3/2。實驗上,首先通過變溫同步輻射測試獲得了不同溫度下的原子占位信息,結合電子能帶結構計算,研究發現在SnS材料中存在多個價帶隨溫度的協同互動。即多個價帶經歷了收斂(增加有效質量和減小遷移率),相交(收斂與分離),以及分離(減小有效質量和增加遷移率)三個過程。進一步研究發現,這一多價帶隨溫度的演變過程可以通過在SnS中引入Se實現增強,如圖1所示。同時發現,Se的引入還可使多價帶尖銳化(減小有效質量和增加遷移率),而且還可促進更多的價帶(第四個價帶)參與傳輸(維持較大的有效質量)。引入Se后,在遷移率提升的同時,維持了大的有效質量,從而獲得了大的品質因子β,使SnS晶體在整個溫區內實現了很高的電傳輸性能,甚至優于具有多價帶傳輸特性的SnSe晶體(Science, 2016, 351, 141-144)。SnS晶體的大ZT值從~1.0提高到~1.6,整個溫區內平均ZT值達到~1.25。
 
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