清華新聞網(wǎng)5月9日電 材料內(nèi)部微觀(guān)載流子和聲子的輸運(yùn)特性使得熱電材料具備實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的能力?；谌惪诵?yīng)和帕爾貼效應(yīng)，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在溫差發(fā)電和固態(tài)制冷方面有著良好的應(yīng)用前景。硒化亞銅（Cu2Se）是一種具有“聲子液體-電子晶體”特征的新型快離子導(dǎo)體熱電材料，具有較高的熱電優(yōu)值。然而，亞銅離子的遷移性導(dǎo)致了Cu2Se存在穩(wěn)定性差、遷移率低的問(wèn)題，不利于實(shí)際應(yīng)用。
近期，清華大學(xué)材料學(xué)院林元華教授團(tuán)隊(duì)提出原位復(fù)合效應(yīng)結(jié)合界面優(yōu)化的策略同步提升快離子導(dǎo)體Cu2Se的穩(wěn)定性和熱電性能。研究采用自蔓延高溫合成方法原位復(fù)合鉍銅硒氧（BiCuSeO）基含氧化合物材料提升Cu2Se的穩(wěn)定性和力學(xué)性能。在此基礎(chǔ)上，引入適量石墨烯調(diào)制電-聲輸運(yùn)行為，實(shí)現(xiàn)熱電性能的顯著提升。最終，Cu2Se-BiCuSeO-石墨烯復(fù)合熱電材料的ZT峰值可達(dá)2.82（1000 K）且在473 K-1000 K范圍內(nèi)的平均ZT值可達(dá)1.73，是該體系目前報(bào)道的最高性能（圖1）。本策略簡(jiǎn)單有效，有利于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化制備，為其在中高溫區(qū)廢熱回收及溫差發(fā)電的應(yīng)用奠定研究基礎(chǔ)。
圖1.熱電優(yōu)值
原子尺度下的界面結(jié)構(gòu)分析（圖2）表明BiCuSeO與Cu2Se原位復(fù)合后，在BiCuSeO的晶格中存在額外的Cu-Se層與Cu層。部分易遷移的亞銅離子被束縛在該結(jié)構(gòu)中，限制了亞銅離子的長(zhǎng)程遷移從而提高了Cu2Se的穩(wěn)定性。此外，不同相之間的界面平滑且在特定方向呈現(xiàn)共格特征，有利于載流子輸運(yùn)同時(shí)增強(qiáng)對(duì)聲子的散射作用。
圖2.原子尺度界面結(jié)構(gòu)
電學(xué)方面，適量石墨烯的引入可有效提升材料的遷移率，從而電學(xué)性能得到了大幅提升（圖3）。遷移率的提升一方面是由于石墨烯本身具有較高的遷移率，另一方面是由于適量的石墨烯在復(fù)合材料中構(gòu)建了快速導(dǎo)電通路。
圖3.電學(xué)輸運(yùn)性能
熱學(xué)方面，適量石墨烯的引入增強(qiáng)了對(duì)聲子的散射作用，由聲速測(cè)試計(jì)算可知聲子平均自由程降低。采用非彈性中子衍射技術(shù)得到聲子態(tài)密度，并由此分析聲子態(tài)密度重疊因子的變化，進(jìn)一步說(shuō)明界面在聲子輸運(yùn)中的作用（圖4）。
圖4.熱學(xué)輸運(yùn)性能
相關(guān)成果以“復(fù)合效應(yīng)實(shí)現(xiàn)Cu2Se基材料的高熱電性能”（Compositing effects for high thermoelectric performance of Cu2Se-based materials）為題，近日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。
材料學(xué)院博士后、清華大學(xué)水木學(xué)者周志方為論文的第一作者，清華大學(xué)林元華教授、北京化工大學(xué)蘭金叻教授為論文的通訊作者。論文的重要合作者還包括清華大學(xué)南策文教授，南方科技大學(xué)何佳清教授、黃亦博士、何東升高級(jí)工程師，澳大利亞核科技組織（ANSTO）的于德洪（Dehong Yu）博士，以及清華大學(xué)魏賓博士后、楊岳洋博士和鄭云鵬博士等。研究得到國(guó)家自然基金委科學(xué)中心、面上項(xiàng)目等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-38054-y
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：金婭辰
編輯：李華山
審核：郭玲
