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我院杨祖培教授、吴笛教授团队在n型PbTe基热电材料微结构与热电关联性研究取得重要进展
发布时间:2020-12-23     作者:        分享到:

        长期以来,热电转换技术主要应用于特种电源、微小型制冷等技术领域。进入21世纪,快速发展的清洁能源、高功率电子器件等技术领域对高效热电转换技术提出了新的需求,热电材料和热电转换技术开始受到工业界和学术界的广泛关注。PbTe作为性能优异的中温区热电材料,由于其能带结构的差异,造成n型PbTe的性能长期落后于p型PbTe,热电器件作为热电转换的最基础单元,需要n型PbTe与p型PbTe拥有相当的热电性能,因此限制了PbTe的应用。近几年,随着界面工程能量过滤效应和动态掺杂等对n型PbTe电、热性能协调调控,其性能得到了明显提升,这也激发了我们通过微结构调控提升PbTe性能的想法。

        近期,我院杨祖培教授、吴笛教授团队,从微结构与热电关联性角度出发,设计了一种对声子和载流子选择性散射的结构来提升n型PbTe的热电性能。首先往PbTe中固溶Sb2Te3构建了(PbTe)81-Sb2Te3 (PST) 基体,其次,通过额外Sb的掺杂,优化载流子浓度提升电性能,最后在PST+xSb基体中固溶Cu2Te引入更多的缺陷,优化热性能降低晶格热导率kL。最终通过协调调控n型PST基体的电、热性能,其热电优值在整个温区实现大幅提升,在823K最高ZT 1.6,323K -823K平均ZT达到了1.0热电转换效率达到了12%,在n型PbTe体系中处于较高水平。为了分析其性能提升的机理,通过球差电镜对其微观结构进行表征,发现最优组分PST+0.6Sb+2Cu2Te纳米析出物为Sb/CuTe共格核壳结构,该结构可以实现对声子和载流子的选择性散射,核壳结构在原子级分辨率下,成功首次清楚地发现Cu2Te固溶进PbTe中Cu原子以CuTe、Cu取代Pb、间隙Cu三种形式存在,大量Cu的点缺陷可以对短波声子产生强烈散射而有效降低晶格热导率kL。

        相关研究成果以题为“Coherent Sb/CuTe Core/Shell Nanostructure with Large Strain Contrast Boosting the Thermoelectric Performance of n-Type PbTe”发表在材料学顶级期刊Advanced Functional Materials上。我院硕士研究生刘仕轩和南方科技大学博士研究生于勇为论文并列第一作者,我院吴笛教授、杨祖培教授和南方科技大学何佳清教授为共同通讯作者。

 

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