近日, 中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員薑鵬, 中科院院士包信和團隊在熱電材料研究中取得新進展, 採用高熵合金提高晶體結構對稱性的策略, 成功調控GeSe晶體結構, 大幅度提高GeSe材料的熱電性能. 相關研究成果發表在《德國應用化學》 (Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201708134) 上.
熱電技術能夠實現熱能與電能之間的相互轉化, 作為一種潔淨能源轉換方式, 具有廣闊的應用前景. 但是, 傳統的高性能熱電材料通常含有Bi, Pb, Te等價格昂貴, 毒性高的元素, 阻礙了其大規模應用. GeSe是一種潛在的環境友好的熱電材料, 理論預測其具有優異的熱電性能, 長期以來, 由於缺少有效的摻雜方法, 導致其載流子濃度和電導率都非常低, 嚴重影響了其熱電性能的提升, 迄今為止, 文獻報道的GeSe材料zT實驗值最高為0.2.
本工作中, 該團隊採用高熵合金提高結構對稱性的策略, 通過將GeSe與AgSbSe2合金化, 成功實現了GeSe晶體結構由正交晶系 (orthorhombic) 向三方晶系 (rhombohedral) 的可控轉化. 研究表明, 這種更高對稱性的三方晶繫結構具有高的載流子濃度 (~ 1020cm-3) , 多重能帶, 以及高的有效質量等特徵, 熱電性能得到顯著提高. GeAg0.2Sb0.2Se1.4的zT在710K能達到0.86, 比正交結構的純GeSe的zT值提高了18倍, 與文獻中報道的zT值相比提高了4倍.
該研究工作不僅表明GeSe基熱電材料有很好的發展潛力, 而且發展出的通過高熵合金調控晶體結構有效提高熱電性能的新方法, 有望應用到其它熱電材料體系中.
該工作的理論部分得到美國西北大學教授G. Jeffrey Snyder和中科院福建物質結構研究所研究員莊巍的幫助, 電鏡表徵工作由中科院物理研究所副研究員葛炳輝合作完成. 研究工作得到國家自然科學基金和大連化物所自主部署基金的資助.
