中科院理化所高性能熱電材料研究獲進(jìn)展
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)和帕爾貼效應(yīng)(Peltier effect)是熱電能量轉(zhuǎn)換器和熱電制冷應(yīng)用的理論依據(jù)?；谠摷夹g(shù)制備的熱電器件具有系統(tǒng)體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、無(wú)損耗和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在深空探測(cè)、固態(tài)制冷和精確控溫等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。但由于種種限制，目前的熱電材料ZT值處于1.0左右，熱電轉(zhuǎn)換效率較低。
近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫材料及應(yīng)用超導(dǎo)研究中心與清華大學(xué)、日本國(guó)立材料研究所等研究機(jī)構(gòu)合作，提出了缺陷結(jié)構(gòu)演化調(diào)控?zé)犭娸斶\(yùn)性能、提升ZT值的研究策略，為實(shí)現(xiàn)高性能熱電材料研究提供了新思路。
該研究通過(guò)調(diào)控制備工藝誘導(dǎo)本征Ge空位進(jìn)行高維定向演化，在碲化鍺材料中構(gòu)建了從原子尺度的點(diǎn)缺陷、納米尺度的位錯(cuò)和電疇到微觀尺度的晶界的多級(jí)結(jié)構(gòu)。研究通過(guò)DFT計(jì)算可知GeTe中的位錯(cuò)形成能為-38 meV/atom，理論上證實(shí)了可以通過(guò)Ge空位的調(diào)控形成大量的位錯(cuò)和位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)。這顯著降低了晶格熱導(dǎo)率，實(shí)驗(yàn)得到Bi0.07Ge0.90Te-873的最小晶格熱導(dǎo)率僅0.48 Wm-1K-1，接近于理論最小值。此外，高維缺陷的構(gòu)建弱化了載流子散射，在不影響Seebeck系數(shù)的前提下，提高了Hall遷移率和電導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率與Seebeck系數(shù)的解耦，大幅提升了電輸運(yùn)性能。由于熱導(dǎo)率和電學(xué)性能的解耦調(diào)控，材料的ZT值達(dá)到2.3以上的水平，且在300 K-798 K的溫度段范圍內(nèi)獲得了1.56的平均ZT值，這是目前已報(bào)道的最高值?；谠揋eTe基熱電材料制備了單臂熱電器件，獲得了144 mW的功率和1.82 Wcm-2的功率密度，優(yōu)化修正后的最高轉(zhuǎn)換效率達(dá)到11%。
相關(guān)成果Evolution of defect structures leading to high ZT in GeTe-based thermoelectric materials于近日發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。
參考來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院
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