寧波材料所熱電材料能帶工程和性能優(yōu)化研究獲系列進(jìn)展

    熱電材料是一類能夠?qū)崿F(xiàn)熱電與電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，可用于半導(dǎo)體制冷、高精度溫控和溫差發(fā)電。為提升熱電轉(zhuǎn)換效率，需要在保持較低熱導(dǎo)率的基礎(chǔ)上盡可能提高材料的功率因子S2σ。然而Seebeck系數(shù)S和電導(dǎo)率σ之間具有本征關(guān)聯(lián)性，通常難以實現(xiàn)功率因子的大幅度提升。利用“能帶工程”能夠在一定程度上實現(xiàn)S和σ的解耦合，以獲得較高的功率因子和轉(zhuǎn)換效率。圍繞幾類環(huán)境友好的新型熱電材料，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)隊通過理論與實驗緊密結(jié)合，在能帶工程和性能優(yōu)化方面開展了一系列有特色和成效的研究工作。

　　該團(tuán)隊研究人員以近室溫區(qū)新型熱電材料α-MgAgSb為例，通過理論先行開展能帶工程設(shè)計，并有力推動了相關(guān)實驗研究進(jìn)展。由基礎(chǔ)電子結(jié)構(gòu)理論可知，共價鍵結(jié)合的半導(dǎo)體中帶隙多來自于成鍵態(tài)與反鍵態(tài)的分裂，其價帶或?qū)Ь哂械湫偷某涉I態(tài)或反鍵態(tài)特征。研究人員通過探索“摻雜元素能級—成鍵/反鍵態(tài)強(qiáng)度—能帶色散”之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，為α-MgAgSb多能谷簡并設(shè)計了多種摻雜方案。這種能帶工程設(shè)計思路極具操作性，不僅適用于α-MgAgSb，也可為其它熱電材料能帶調(diào)控提供理論指導(dǎo)。該研究工作發(fā)表在《先進(jìn)能源材料》（Adv. Energy Mater. 2017, 1700076）。

　　SnTe有望替代PbTe，成為一類環(huán)境友好型中溫區(qū)熱電材料。在前期工作中，該團(tuán)隊已通過“價帶簡并”和“共振能級”兩種能帶工程機(jī)理實現(xiàn)其熱電性能優(yōu)化。他們最近研究發(fā)現(xiàn)，SnTe中共振態(tài)能級位置和輕/重價帶能量差具有良好的匹配性，這預(yù)示上述兩種機(jī)理可在SnTe中協(xié)同作用，實現(xiàn)較大溫區(qū)內(nèi)熱電性能的全面提升。研究人員進(jìn)一步指出，實現(xiàn)兩種機(jī)理協(xié)同作用的共摻方案是較低濃度的In和適量的Mg、Mn或Cd等元素。實驗研究證實了這些理論預(yù)測，相關(guān)研究工作發(fā)表在ACS Energy Lett. 2017, 2: 1203和J. Mater. Chem. C 2017, doi: 10.1039/C7TC02162C等。

　　SnSe是近年來被報道的高性能中溫區(qū)熱電材料，然而其機(jī)械性能較差。該團(tuán)隊研究人員自主開發(fā)了“水平梯度凝固法”，獲得了高質(zhì)量大尺寸SnSe單晶，相關(guān)工作發(fā)表在J. Cryst. Growth 2017, 460: 112和J. Alloys Compd. 2017, 712: 857。研究人員同時還制備了SnSe多晶，以克服單晶生長條件苛刻、制備周期較長等缺點(diǎn)，并通過摻雜設(shè)計來改善其熱電性能。例如PbBr2摻雜獲得性能優(yōu)異的n型SnSe多晶，Ag摻雜獲得性能優(yōu)異的p型SnSe多晶。相關(guān)研究工作發(fā)表在RSC Adv. 2017, 7: 17906和NPG Asia Mater. 2017等。

　　以上工作獲得了國家自然科學(xué)基金（11234012，11404350，11404348）、浙江省杰出青年基金（LR16E020001）和寧波市科技創(chuàng)新團(tuán)隊（2014B82004）等項目支持。

圖1. α-MgAgSb中能帶工程示意圖

圖2. In&Mn共摻SnTe能帶工程示意圖及實驗結(jié)果

圖3. Ag摻雜SnSe織構(gòu)化多晶的遷移率和ZT值