清華新聞網(wǎng)11月17日電 熱電材料具有可實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)具有無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、便于集成化等優(yōu)點(diǎn)，在溫差發(fā)電與固態(tài)制冷領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。當(dāng)前主流熱電材料體系為碲化鉍（Bi2Te3）與碲化鉛（PbTe），二者分別在近室溫區(qū)（300~500 K）與中溫區(qū)（600~900 K）具有較好的熱電性能。但由于碲元素在地殼中含量與白金（Pt）和鈀（Pd）接近，因此其極低的礦物資源豐度將會(huì)影響熱電材料的規(guī)?；瘧?yīng)用。與此同時(shí)，為滿(mǎn)足不同的應(yīng)用環(huán)境，需要研發(fā)寬溫域的高熱電性能材料。
近年來(lái)，清華大學(xué)材料學(xué)院李敬鋒教授課題組致力于元素豐度高的環(huán)境友好型新型熱電材料的研發(fā)，圍繞銻化鎂（Mg3Sb2）基熱電材料取得系列進(jìn)展，在前期工作的基礎(chǔ)上，近期研究發(fā)現(xiàn)，在Mg3Sb2晶界上嵌入某些（Nb和Ta）高導(dǎo)電金屬納米相，可有效降低界面勢(shì)壘，增強(qiáng)近室溫的電輸運(yùn)性能，實(shí)現(xiàn)了熱電優(yōu)值（ZT值）的峰值和平均值的同時(shí)提升。研究采用機(jī)械合金化結(jié)合放電等離子體燒結(jié)工藝制備了多晶Mg3Sb2，發(fā)現(xiàn)Nb與Ta能以納米級(jí)金屬單質(zhì)形式嵌于晶界處，且Nb單質(zhì)與基體間會(huì)形成少量非均質(zhì)Nb3Sb相。這些納米級(jí)金屬夾雜物與非均質(zhì)相皆具有高于晶界的電導(dǎo)率，有效降低了晶界處的界面勢(shì)壘，減弱了載流子所受的晶界散射，增加了高能載流子對(duì)電輸運(yùn)性能的貢獻(xiàn)，大幅提升了近室溫區(qū)的功率因子。同時(shí)，納米級(jí)的金屬顆粒會(huì)對(duì)聲子產(chǎn)生散射作用，有效降低晶格熱導(dǎo)率。通過(guò)電聲輸運(yùn)的協(xié)同調(diào)控，整個(gè)測(cè)試溫度范圍內(nèi)的熱電性能均得到大幅提升。最終，在Nb復(fù)合的n型Mg3(Sb,Bi)2材料中，zT值在300 K和798 K時(shí)分別提升至0.80和2.04，為目前已報(bào)道的最高值，由此制備的單臂器件熱電能量轉(zhuǎn)換效率在T=470 K時(shí)可達(dá)15%，在寬溫域內(nèi)顯現(xiàn)出優(yōu)異的應(yīng)用潛力。本工作提出了一種通過(guò)納米復(fù)合策略改良Mg3(Sb,Bi)2基熱電材料晶界特性的新思路，拓寬了Mg3(Sb,Bi)2基熱電材料的應(yīng)用前景。
Nb納米顆粒復(fù)合Mg3Sb2基熱電材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)、界面調(diào)控及熱電性能
相關(guān)研究成果以“具有高平均及峰值z(mì)T的寬溫域n型Mg3(Sb,Bi)2基熱電材料”（Wide-temperature-range thermoelectric n-type Mg3(Sb,Bi)2 with high average and peakzT values）為題，于近日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。
材料學(xué)院2019級(jí)博士生李靜薇為論文第一作者，清華大學(xué)李敬鋒教授、莊華鷺博士后為論文通訊作者，論文的其他重要合作者包括南方科技大學(xué)劉瑋書(shū)教授和國(guó)家納米科學(xué)中心鄭強(qiáng)研究員等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-43228-9
供稿：材料學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李娜
編輯：李華山
審核：郭玲
