上海硅酸鹽所等在多元高熵?zé)犭姴牧系目焖俸Y選和設(shè)計(jì)中取得進(jìn)展

　　近年來(lái)，以加快材料研發(fā)進(jìn)程為目標(biāo)的“材料基因工程”通過(guò)有效整合材料計(jì)算、材料合成和表征及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，快速甄別決定材料性能的關(guān)鍵基本因素，實(shí)現(xiàn)科學(xué)化的“系統(tǒng)尋優(yōu)”，完成材料的性能優(yōu)化和新材料的設(shè)計(jì)與探索，突破了以往大量經(jīng)驗(yàn)積累和簡(jiǎn)單試錯(cuò)為特征的“經(jīng)驗(yàn)尋優(yōu)”的傳統(tǒng)方式，降低了材料研發(fā)的周期和成本。以熱電能量轉(zhuǎn)換材料為例，傳統(tǒng)的研究方法涉及大量的結(jié)構(gòu)和成分優(yōu)化，時(shí)間周期長(zhǎng)，因而采用“材料基因工程”的研究方法尤為重要。

　　最近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東與南方科技大學(xué)教授張文清等帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，提出了采用材料中的“熵”這一具有類似基因特性的基礎(chǔ)參量作為熱電材料的性能表征參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多元熱電材料的快速篩選，發(fā)展了計(jì)算多元熱電材料體系熵的模型與方法，并結(jié)合計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)一系列多元體系進(jìn)行了篩選、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，獲得了多種熱電性能大幅提升的多元高熵?zé)犭姴牧?。該?xiàng)工作是材料基因工程研究方法在熱電材料上應(yīng)用的重要體現(xiàn)，豐富了“材料基因工程”理念的研究領(lǐng)域和內(nèi)容。相關(guān)研究發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志（Advanced Materials, adma.201702712R2）上。

　　在多元熱電材料體系中，構(gòu)型熵取決于體系中的固溶元素種類和各自的固溶度，而能否形成具有一定固溶元素種類和固溶度的關(guān)鍵在于體系的固溶焓與構(gòu)型熵之間的競(jìng)爭(zhēng)。研究團(tuán)隊(duì)首先建立了彈性力學(xué)模型對(duì)系列二元和多元熱電材料體系的固溶特性進(jìn)行了評(píng)估，獲得了決定體系構(gòu)型熵上限的本征固溶因子d 判據(jù)，根據(jù)該判據(jù)可對(duì)各種熱電材料體系能否實(shí)現(xiàn)高熵固溶進(jìn)行有效篩選，如Cu2(S/Se/Te)、半赫斯勒合金多元熱電材料可以實(shí)現(xiàn)3元的等比例高熵固溶，類金剛石結(jié)構(gòu)(Cu/Ag)(In/Ga)Te2和 (Pb/Sn/Ge/Mn)Te族化合物可實(shí)現(xiàn)4元等比例高熵固溶。

　　在此基礎(chǔ)上，作為類似基因特性的熵可從電子和聲子的輸運(yùn)等多方面指引熱電材料的性能優(yōu)化。首先由于熵的增加，晶格中的結(jié)構(gòu)無(wú)序和畸變也隨之大幅增加，進(jìn)而顯著降低了晶格熱導(dǎo)率。對(duì)于初始熱導(dǎo)率較高的體系（如類金剛石化合物），熵導(dǎo)致的熱導(dǎo)率的降低更為顯著。其次，熵的增加導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的局部特征無(wú)序增多，從而使得材料具有更高的宏觀晶體對(duì)稱性，進(jìn)而增加材料的能帶簡(jiǎn)并度并改善電學(xué)性能。例如Cu2(S/Se/Te)基體化合物室溫時(shí)為單斜結(jié)構(gòu)，對(duì)它們進(jìn)行多元化增加材料的熵后，其晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^高對(duì)稱性的六方結(jié)構(gòu)，其塞貝克系數(shù)在相同載流子濃度下提升了3倍以上?；谏鲜鲂?yīng)，多元高熵類金剛石化合物和Cu2(S/Se/Te)熱電材料的最佳熱電優(yōu)值ZT分別提升至1.6和2.23。

　　該研究工作得到了國(guó)家基礎(chǔ)研究計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃材料基因組專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、上海市科委重大項(xiàng)目等的資助和支持。

　　論文鏈接 

多元高熵?zé)犭姴牧系氖疽鈭D（圖A-C）以及熵對(duì)熱電優(yōu)值ZT的優(yōu)化（圖D）

多元等比例高熵固溶的晶格畸變能、體系構(gòu)型熵與固溶元素種類的關(guān)系

不同熱電體系中材料的熱導(dǎo)率（圖A）和塞貝克系數(shù)（圖B）與熵值的關(guān)系