熱電轉換材料能夠實現熱能與電能直接相互轉換, 在航空航天特殊電源/熱流管理, 餘熱/廢熱發電和便攜製冷等領域有著重要應用. 熱電性能由無量綱優值 (ZT=S2σ T/κ) 來表徵, 高轉換效率需要儘可能提高材料的功率因子S2σ 以及儘可能降低熱導率κ. 近期, 圍繞SnSe和SnTe等幾類環境友好的新型熱電材料, 中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進位造所光電功能材料與器件團隊通過理論與實驗緊密結合, 在熱電性能調控方面開展了一系列研究工作.
2014年, 《自然》雜誌報道的新型熱電材料SnSe具有極低的熱導率 (0.3W -1K-1) 和目前最高的ZT值 (2.6) , 然而後續研究者們發現SnSe材料的熱電性能變化較大且重複性較差. 據此, 該團隊發展了一種水平氣相法, 製備了高質量SnSe單晶, 並對其本徵載流子輸運, 聲子輸運以及相變開展了相關測量工作. 研究發現, 室溫下SnSe單晶的本徵熱導率為2.0W -1K-1, 在773K降低至0.55W -1K-1. 該研究提出了相變前後SnSe的載流子濃度, 遷移率, 有效質量和形變勢常數等隨溫度的變化規律, 並採用單拋物線能帶模型合適描述了SnSe的本徵載流子輸運行為, 從而指明了SnSe的性能調控思路併合理預測了SnSe的優化熱電性能. 相關研究成果發表在ACS Energy Lett.上.
能帶工程是調控熱電材料電學性能的有效方法. 在前期工作中, 該團隊已通過 '價帶簡併' 和 '共振能級' 兩種能帶工程機理實現SnTe的熱電性能優化, 並明確了較低濃度的In和適量的Mg, Mn, Cd或Hg等元素共摻將使兩種能帶調控機理協同作用, 使SnTe的熱電性能在較大溫區內實現全面提升. 該團隊採用熱壓製備了In-Hg共摻SnTe樣品, 證實了兩種調控機制協同作用顯著提升了Seebeck係數. 進一步研究發現, 溫度升高後能帶調控和共振能級將由協同作用逐漸轉變為競爭作用. 該研究進一步豐富了熱電材料能帶工程設計內涵, 相關研究成果發表在J. Materiomics上.
結構設計是調控材料聲子輸運的有效途徑, 特別是在層狀熱電材料中. 該團隊在MoS2材料層間插入少量Na, 實現了晶格熱導率顯著降低. 研究認為, Na插層MoS 2晶格熱導率的降低主要體現在兩個方面, 其一是聲子振動頻率的降低, 其二是局域聲子頻支的增加. Na插層MoS 2後增強了低頻支聲子的非諧性相互作用, 而且增加了更多的聲子散射通道, 使得聲子壽命降低1-2量級. 該研究為類似熱電材料熱導率的調控提供了深入理解和可行思路, 相關研究成果發表在J. Phys. Chem. C上.
該研究得到了國家自然科學基金委, 國家重點研發計劃, 浙江省傑出青年基金, 浙江省自然科學基金和寧波市科技創新團隊等的資助.
圖1.SnSe單晶製備及熱電優值
圖2.In&Hg共摻SnTe中提高的Seebeck係數
圖3.Na插層MoS2的晶格熱導率
