合肥研究院在熱電材料研究方面取得進(jìn)展

　　近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所秦曉英研究小組在熱電材料研究方面取得積極進(jìn)展。相關(guān)成果已發(fā)表在J.Mater. Chemisty A（2015, 3, 11768）及J.Mater. Chemisty C ( 2015, 3, 7045 - 7052)上。

　　熱電材料可以將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換而無需運(yùn)動(dòng)部件，也不排放任何有毒或溫室氣體；它可利用廢熱發(fā)電也可用于固態(tài)制冷。但目前熱電材料的轉(zhuǎn)換效率(用無量綱優(yōu)值ZT表征)較低（≤1），難以大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用。因此如何提高其ZT值是目前熱電材料領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)和重點(diǎn)。

　　β-Zn4Sb3是一種具有潛力的環(huán)境友好型高性能熱電材料。通過誘導(dǎo)電子態(tài)密度(DOS)共振畸變是一種有效提高熱電材料的熱電勢(shì)S并提升熱電優(yōu)值ZT的途徑。秦曉英領(lǐng)導(dǎo)的研究組及其合作者最近的實(shí)驗(yàn)研究表明，稀土元素Gd摻雜引起β-Zn4Sb3費(fèi)米能級(jí)附近DOS的共振畸變，表現(xiàn)為DOS有效質(zhì)量的大幅增加；低溫比熱的測(cè)量證實(shí)了DOS共振畸變的發(fā)生；第一原理計(jì)算進(jìn)一步揭示出，β-Zn4Sb3價(jià)帶頂附近出現(xiàn)的態(tài)密度共振峰主要來自Gd原子中d軌道電子的貢獻(xiàn)。由于這種態(tài)密度共振畸變，使得β-(Zn1-xGdx)4Sb3 (x=0.002, 0.003)的熱電勢(shì)增加了~40μVK-1，同時(shí)Gd摻雜導(dǎo)致x=0.002樣品的熱導(dǎo)率降低了約15%，最終使得β-(Zn1-xGdx)4Sb3 (x=0.002)樣品的ZT值在655K達(dá)到了1.2，與未摻雜樣品(ZT=0.75)相比提高了60％。此結(jié)果表明，Gd摻雜是一種引起DOS共振畸變、并有效提升β-Zn4Sb3熱電性能的方法。此工作最近發(fā)表于J. Mater. Chemistry A (2015, 3, 11768)。

　　另外，BiSbTe是目前最好的室溫附近的熱電材料，也是唯一商業(yè)化應(yīng)用的室溫制冷熱電材料。但如何提高其在100-200oC附近的熱電性能以用于低級(jí)廢熱發(fā)電是極具挑戰(zhàn)性和經(jīng)濟(jì)效益的課題。秦曉英領(lǐng)導(dǎo)的研究組及其合作者最近的研究表明，在BiSbTe基體中復(fù)合1vol.% Cu3SbSe4 納米顆粒以形成納米復(fù)合材料。除了約50%的晶格熱導(dǎo)率降低外，由于異質(zhì)結(jié)界面勢(shì)的散射引起能量過濾效應(yīng)使熱電勢(shì)率升高以及高溫區(qū)遷移率降低的減緩，使得功率因子在476K時(shí)達(dá)到37mWcm-1K-2 ，而其ZT值達(dá)到1.6，它是目前報(bào)道的在該溫區(qū)的最大值。此外，該材料在300K至500K的寬廣溫度范圍內(nèi)都具有高ZT值(如在300K ZT=1.0而在500K ZT=1.5)，使得該材料在低級(jí)廢熱回收應(yīng)用上具有誘人的應(yīng)用前景。該工作最近發(fā)表于J. Mater. Chemistry C ( 2015, 3, 7045 - 7052)。