固體所在新型硒化物熱電性能調(diào)控方面取得新進(jìn)展

發(fā)布日期：2022-07-05 作者：明洪蔚瀏覽次數(shù)：677

近期，中科院合肥研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部秦曉英研究員課題組在Cu2SnSe3材料體系熱電性能調(diào)控方面取得新進(jìn)展。研究人員通過(guò)在Cu2SnSe3化合物中構(gòu)建高密度堆垛層錯(cuò)與內(nèi)生納米針(nanoneedle)來(lái)散射中低頻聲子并大幅提升了其熱電性能，使得Cu2Sn0.88Fe0.06In0.06Se3-5wt.%Ag2Se樣品的熱電優(yōu)值ZT在848K時(shí)高達(dá)1.61，相關(guān)研究結(jié)果以 “Creating high-dense stacking faults and endo-grown nanoneedles to enhance phonon scattering and improve thermoelectric performance of Cu2SnSe3” 為題發(fā)表于Nano Energy (Nano Energy, 2022, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107510 ) 上。

熱電技術(shù)作為有望解決能源問(wèn)題的新途徑，近年來(lái)引起廣泛關(guān)注。熱電材料的轉(zhuǎn)化效率由無(wú)量綱量熱電品質(zhì)因子ZT決定，ZT=S2σT/ (κc+κL), 其中S為熱電勢(shì)，σ為電導(dǎo)率，T為絕對(duì)溫度，κc和κL 分別是載流子和晶格對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)。Cu2SnSe3是一種組成元素廉價(jià)、環(huán)境友好的新型熱電材料，但其較高的熱導(dǎo)率和較低的功率因子PF (PF=S2σ) 限制了其ZT值的提升。目前對(duì)于Cu2SnSe3熱電性能的優(yōu)化主要是通過(guò)Sn位摻雜提高空穴濃度，然而這種摻雜會(huì)導(dǎo)致熱電勢(shì)的大幅下降和電子熱導(dǎo)率的顯著提升，使得ZT值的提升有限。此外，大多數(shù)研究只通過(guò)引入點(diǎn)缺陷或者球形納米顆粒來(lái)散射聲子，很少有利用堆垛層錯(cuò)或者具有大縱橫比的納米第二相來(lái)顯著散射材料中的中低頻聲子(MLFPs)。

由于多元合金/化合物里MLFPs主導(dǎo)熱輸運(yùn)，因此有效散射MLFPs是降低晶格熱導(dǎo)率κL的關(guān)鍵。研究人員通過(guò)元素?fù)诫s降低Cu2SnSe3的層錯(cuò)能 (圖1)以及利用Ag2Se 與Cu2Sn0.88Fe0.06In0.06Se3的固相反應(yīng)來(lái)分別引入高密度的堆垛層錯(cuò)和以[112]為軸的內(nèi)生AgInSnSe4納米針 (如圖2和圖3) 來(lái)有效散射MLFPs。第一性原理計(jì)算表明納米針形成的內(nèi)因是其 (1 1 2) 晶面具有高的表面能 (如圖1)。理論分析發(fā)現(xiàn)，納米針的縱橫比是一個(gè)調(diào)控散射聲子的額外自由度，通過(guò)改變縱橫比可以散射不同頻率的聲子。平均徑向尺寸為50nm、縱橫比等于10的納米針可以和堆垛層錯(cuò)一樣顯著散射MLFPs (如圖4)，結(jié)合點(diǎn)缺陷及其它散射機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)Cu2SnSe3聲子的全頻譜散射，使其晶格熱導(dǎo)率在848K時(shí)降低至理論最小值~0.2WK-1m-1。與此同時(shí)，研究表明在Cu2SnSe3的Sn位摻Fe以及Cu位摻Ag可以增加價(jià)帶頂?shù)膽B(tài)密度，并且Sn位摻Fe還可以構(gòu)建額外的空穴傳輸通道(如圖5)，這使其功率因子提升了3倍，在800K時(shí)達(dá)到了12μWcm-1K-2。最終，Cu2SnSe3的最高ZT值在848K時(shí)可達(dá)到1.61，是目前本體系報(bào)道的最高值 (如圖6)。相關(guān)工作為Cu2SnSe3及其它熱電材料的熱電性能調(diào)控提供了新思路。

該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的支持, 理論計(jì)算在中科院超算中心合肥分中心完成。

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