寧波材料所在熱電材料性能調(diào)控方面取得系列進(jìn)展
熱電轉(zhuǎn)換材料能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換，在航空航天特殊電源/熱流管理、余熱/廢熱發(fā)電和便攜制冷等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。熱電性能由無(wú)量綱優(yōu)值（ZT=
T/κ）來(lái)表征，高轉(zhuǎn)換效率需要盡可能提高材料的功率因子
以及盡可能降低熱導(dǎo)率κ。圍繞SnSe和SnTe等幾類(lèi)環(huán)境友好的新型熱電材料，寧波材料所所屬二級(jí)所先進(jìn)制造所光電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，在熱電性能調(diào)控方面開(kāi)展了一系列有特色和成效的研究工作。
2014年，Nature報(bào)道了新型熱電材料SnSe具有極低的熱導(dǎo)率（0.3
）和目前最高的ZT值（2.6），并迅速引起了廣泛的研究興趣。然而后續(xù)的研究者們發(fā)現(xiàn)SnSe材料的熱電性能變化較大且重復(fù)性較差。該團(tuán)隊(duì)研究人員發(fā)展了一種水平氣相法制備了高質(zhì)量SnSe單晶，并對(duì)其本征載流子輸運(yùn)、聲子輸運(yùn)以及相變開(kāi)展了相關(guān)測(cè)量工作。研究發(fā)現(xiàn)，室溫下SnSe單晶的本征熱導(dǎo)率為2.0
，在773K降低至0.55
。研究人員報(bào)道了相變前后SnSe的載流子濃度、遷移率、有效質(zhì)量和形變勢(shì)常數(shù)等隨溫度的變化規(guī)律，并采用單拋物線(xiàn)能帶模型合適描述了SnSe的本征載流子輸運(yùn)行為，從而指明了SnSe的性能調(diào)控思路并合理預(yù)測(cè)了SnSe的優(yōu)化熱電性能。這些研究結(jié)果發(fā)表在ACS Energy Lett. 2018, 3: 689（DOI: 10.1021/acsenergylett.7b01259）。
圖1 SnSe單晶制備及熱電優(yōu)值
能帶工程是調(diào)控?zé)犭姴牧想妼W(xué)性能的有效方法。在前期工作中，該團(tuán)隊(duì)已通過(guò)“價(jià)帶簡(jiǎn)并”和“共振能級(jí)”兩種能帶工程機(jī)理實(shí)現(xiàn)SnTe的熱電性能優(yōu)化，并明確了較低濃度的In和適量的Mg、Mn、Cd或Hg等元素共摻將使得兩種能帶調(diào)控機(jī)理協(xié)同作用，并使得SnTe的熱電性能在較大溫區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面提升。該團(tuán)隊(duì)研究人員采用熱壓制備了In-Hg共摻SnTe樣品，證實(shí)了兩種調(diào)控機(jī)制協(xié)同作用顯著提升了Seebeck系數(shù)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，溫度升高后能帶調(diào)控和共振能級(jí)將由協(xié)同作用逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦?jìng)爭(zhēng)作用。這一工作進(jìn)一步豐富了熱電材料能帶工程設(shè)計(jì)內(nèi)涵，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在J. Materiomics 2018, 4: 62（DOI: 10.1016/j.jmat.2017.12.001）。
圖2 In&Hg共摻SnTe中提高的Seebeck系數(shù)
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是調(diào)控材料聲子輸運(yùn)的有效途徑，特別是在層狀熱電材料中。該團(tuán)隊(duì)研究人員在MoS2材料中通過(guò)在層間插入少量Na，實(shí)現(xiàn)晶格熱導(dǎo)率顯著降低。研究人員指出，Na插層MoS2晶格熱導(dǎo)率的降低主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一是聲子振動(dòng)頻率的降低，其二是局域聲子頻支的增加。Na插層MoS2后增強(qiáng)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(jí)。這一工作為類(lèi)似熱電材料熱導(dǎo)率的調(diào)控提供了深入理解和可行思路，相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在J. Phys. Chem. C 2018, 122: 2632（DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b12330）。
圖3 Na插層MoS2的晶格熱導(dǎo)率
以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金（11234012，11404350，11404348）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFC0101801）、浙江省杰出青年基金（LR16E020001）、浙江省自然科學(xué)基金（LY17A040012，LY17E020013）和寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2014B82004）等項(xiàng)目支持。
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