清華新聞網(wǎng)4月27日電 熱電材料可以實(shí)現(xiàn)熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)換，基于塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)設(shè)計(jì)的熱電器件可用于廢熱發(fā)電和主動(dòng)制冷。相較于傳統(tǒng)技術(shù)，熱電發(fā)電/制冷技術(shù)具有無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)緊湊、綠色環(huán)保、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為動(dòng)力續(xù)航、節(jié)能減排、高精度控溫、局部制冷等應(yīng)用需求的解決方案。環(huán)境友好型銻化鎂（Mg3（Sb,Bi）2）基熱電材料是備受關(guān)注的新型熱電體系之一，由于其低成本、高性能等特點(diǎn)有望得到大規(guī)模應(yīng)用。但是，鎂基熱電材料的可控制備存在一定難度，且熱電性能有待進(jìn)一步提升。當(dāng)前，提升鎂基熱電材料性能的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)電聲解耦：抑制本征Mg空位對(duì)電子散射的同時(shí)增強(qiáng)聲子散射。
針對(duì)上述瓶頸，清華大學(xué)材料學(xué)院李敬鋒教授課題組提出了一種基于電荷平衡的缺陷調(diào)控策略，協(xié)同優(yōu)化了Mg3（Sb,Bi）2塊體材料的電熱輸運(yùn)特性，實(shí)現(xiàn)了熱電性能的顯著提升。該方法著眼于高溫放電等離子體燒結(jié)過(guò)程中Mg和Bi共揮發(fā)的特點(diǎn)，利用引入的Bi空位成功誘導(dǎo)缺陷演化，有效抑制了Mg空位對(duì)電子的負(fù)散射效應(yīng)，并通過(guò)增強(qiáng)聲子散射實(shí)現(xiàn)了晶格熱導(dǎo)率的降低。
圖1. 通過(guò)引入Bi空位誘導(dǎo)復(fù)雜缺陷演化機(jī)制的示意圖及不同構(gòu)型的缺陷對(duì)的形成能
這一研究通過(guò)正電子湮滅光譜和球差校正掃描透射電鏡表征揭示了Bi空位和Mg空位潛在的聚集行為。由此產(chǎn)生的空位團(tuán)簇等復(fù)雜缺陷能夠進(jìn)一步誘導(dǎo)高密度位錯(cuò)的產(chǎn)生，有效散射中頻和高頻聲子，進(jìn)而顯著降低晶格熱導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)中高溫區(qū)熱電性能的大幅優(yōu)化。最終，優(yōu)化缺陷濃度的n型Mg3（Sb,Bi）2材料的ZT峰值可達(dá)1.82，在T=473K時(shí)的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)11.3%，均為該體系領(lǐng)先水平。該研究闡明了熱電材料中異質(zhì)空位調(diào)控的重要性，并為缺陷演化機(jī)理分析提供了新的思路。
圖2. 缺陷調(diào)控優(yōu)化的Mg3（Sb,Bi）2材料的熱電性能及能量轉(zhuǎn)換效率
相關(guān)成果以“Mg3（Sb,Bi）2基熱電材料中Bi欠量誘導(dǎo)高性能”（Bi-Deficiency Leading to High-Performance in Mg3(Sb,Bi)2-Based Thermoelectric Materials）為題，近日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際著名期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。該工作已經(jīng)獲得中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利。
材料學(xué)院2019級(jí)博士生李靜薇為論文的第一作者，清華大學(xué)李敬鋒教授、南方科技大學(xué)劉瑋書(shū)教授、國(guó)家納米科學(xué)中心鄭強(qiáng)研究員和中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所曹興忠研究員為論文的通訊作者，其他重要合作者還包括中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所徐偉研究員，清華大學(xué)李千副教授，日本東北大學(xué)宮崎玉儒（Yuzuru Miyazaki）教授、干橋基（Kei Hayashi）助理教授等。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202209119
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：劉雨田
編輯：李華山
審核：郭玲
