寧波材料所在熱電材料設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化研究中取得系列進(jìn)展

　　利用半導(dǎo)體的Seebeck效應(yīng)或Peltier效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)換，包括溫差發(fā)電和熱電制冷兩種應(yīng)用形式。熱電性能由無量綱優(yōu)值ZT（=S2σT/κ）表征，其中S、σ、T 和 κ 分別是Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率、溫度和熱導(dǎo)率，S2σ 稱為功率因子?；诰哂械蜔釋?dǎo)率的半導(dǎo)體化合物，從電子能帶工程和多尺度聲子散射兩方面協(xié)同調(diào)控電聲輸運(yùn)，可有效改善熱電性能。針對(duì)多種體系的熱電材料，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所光電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)通過理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合，在材料設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化方面取得了系列進(jìn)展。

　　對(duì)于SnTe熱電材料，該團(tuán)隊(duì)通過理論研究闡釋了幾種典型摻雜對(duì)電熱輸運(yùn)的調(diào)控作用，并實(shí)現(xiàn)了SnTe熱電性能的顯著提升。例如，理論研究表明本征Sn空位在SnTe能帶調(diào)控中起著重要作用，Sn空位的存在使得Mg、Mn、Cd和Hg摻雜SnTe出現(xiàn)明顯的帶隙增大和輕/重價(jià)帶能量差減小的特征（如圖1所示），非常有利于SnTe熱電性能改善。采用區(qū)熔法制備了Mn摻雜SnTe多晶樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了以上的理論預(yù)測(cè)。Mn/Sn合金化可以實(shí)現(xiàn)帶隙的增大和輕/重價(jià)帶簡(jiǎn)并，SnMnTe的Seebeck系數(shù)可達(dá)270 μV/K，ZT值為1.25。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于J. Mater. Chem. A, 3, 19974 (2015)，RSC Adv., 5, 59379 (2015)，RSC Adv., doi:10.1039/c6ra02658c(2016)和Phys. Chem. Chem. Phys., 18, 7141 (2016)。

　　雖然同為IV-VI族化合物，但SnSe與SnTe晶體結(jié)構(gòu)迥異。最近兩年，SnSe單晶被報(bào)道具有高達(dá)2.6的ZT值。為了克服SnSe單晶生長(zhǎng)條件苛刻、制備周期較長(zhǎng)、機(jī)械性能較差等缺點(diǎn)，制備SnSe多晶并改善其熱電性能成了相關(guān)研究熱點(diǎn)。近期，該團(tuán)隊(duì)采用理論計(jì)算和區(qū)熔生長(zhǎng)法開展SnSe多晶研究工作。圖2a展示了SnSe織構(gòu)化區(qū)熔多晶，其功率因子和ZT值分別達(dá)9.5 μWcm-1K-2和0.9@873 K（圖2b），這遠(yuǎn)高于國際上其他同類報(bào)道結(jié)果，并且非常接近Nature（2014, 508, 373）所報(bào)道的單晶結(jié)果，體現(xiàn)了織構(gòu)化對(duì)SnSe電輸運(yùn)性質(zhì)的有效提升。通過對(duì)SnSe區(qū)熔多晶進(jìn)行粉碎再燒結(jié)，可保持較高功率因子并使得熱導(dǎo)率降低（圖2c）。第一性原理計(jì)算表明Ag摻雜可以促進(jìn)SnSe中輕/重價(jià)帶簡(jiǎn)并，這種能帶簡(jiǎn)并效應(yīng)有利于提高Seebeck系數(shù)和功率因子；實(shí)驗(yàn)工作證實(shí)了這一理論推測(cè)，通過Ag摻雜提高了SnSe多晶的載流子濃度，功率因子達(dá)11 μWcm-1K-2，ZT值進(jìn)一步提高至1.3（圖2d）。

　　同時(shí)，采用BiCl3摻雜SnSe顯著提高了n型SnSe的載流子濃度和電導(dǎo)率，獲得了較高的Seebeck系數(shù)和較低的熱導(dǎo)率。其功率因子約為5 μWcm-1K-2，ZT值達(dá)0.7，這為n型SnSe熱電材料開發(fā)提供了一種方案。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于J. Mater. Chem. C, 4, 1201 (2016)，Appl. Phys. Lett., 108, 083902 (2016)。

　　此外，研究人員通過第一性原理計(jì)算研究了BiCuOSe的聲子輸運(yùn)特性，熱導(dǎo)率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)吻合。BiCuOSe的格林愛森常數(shù)在室溫約為2.5，說明其具有強(qiáng)非諧性，從而導(dǎo)致極低的熱導(dǎo)率。研究還表明，BiCuOSe中高頻聲子振動(dòng)主要由氧原子貢獻(xiàn)，并且其對(duì)總體晶格熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)超過了30％（圖3a），這與一般材料中熱導(dǎo)率通常由聲學(xué)聲子振動(dòng)決定有很大差異；通過進(jìn)一步研究，揭示了這些高頻模式具有較強(qiáng)的色散、較高的群速度且與低頻聲子間的散射很弱(圖3b)，從而建立了BiCuOSe中高頻聲子對(duì)熱導(dǎo)率有異常大貢獻(xiàn)的物理圖像。另外，還發(fā)現(xiàn)BiCuOSe沿不同方向的聲子群速度（圖3d）及體彈模量具有很強(qiáng)的各向異性，這導(dǎo)致其晶格熱導(dǎo)率呈明顯各向異性（圖3c）。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Scientific Reports, 6, 21035 (2016)。

　　以上工作得到了國家自然科學(xué)基金（11234012，11304327，11404348，11404350）、浙江省杰出青年基金（LR16E020001）、寧波市自然科學(xué)基金（2014A610011）和寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（2014B82004）的大力支持。

圖1. SnTe摻雜Mn、Cd能帶結(jié)構(gòu)

圖2.（a）SnSe織構(gòu)化多晶斷面SEM圖；（b）ZT值；（c）粉碎再燒結(jié)樣品的熱導(dǎo)率；（d）摻Ag樣品的熱電性能 

    圖3. BiCuOSe聲子輸運(yùn)特性：（a）熱導(dǎo)率隨溫度變化；（b）散射聯(lián)合態(tài)密度隨頻率分布；（c）xx與zz方向熱導(dǎo)率及其比值；（d）沿Г-X與Г-Z方向聲子群速度隨頻率分布