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固体所在热电材料研究方面取得进展
发表日期: 2018-06-01 作者: 张建
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近期,固体所秦晓英研究员课题组在热电材料性能研究方面取得新进展,提出在n型碲化铋基合金中引入具有高载流子迁移率的纳米相,使基体材料保持高迁移率的同时降低热导率,最终提升其热电性能。相关结果在线发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A 6(20), 9642-9649 (2018))杂志上。

以热电材料为核心部件的热电器件可以将热能和电能进行直接转换,无需运动部件,不产生噪音污染,也不排放任何有毒或温室气体。图1为以p型和n型热电材料为基础构筑的热电器件,它既可用于废热发电(1(a)也可用于固态制冷(1(b))。其中BiSbTe已被认为是接近室温的理想p型热电材料;然而,对应的n型碲化铋基合金的热电性能相对较差,因而限制了其商业应用研究表明,碲化铋基合金中引入具有高载流子迁移率的纳米相,可以有效调控基体材料的热、电输运性能。

基于此,课题组研究人员通过球磨和放电等离子烧结法制备了一系列n型纳米相InSb复合的BiTeSe基材料 (Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (0≤f≤2.5vol.))。其中复合样品Bi2Te2.7Se0.3-1.5 volInSb的热电优值ZT323 K时达到1.22,为已报道的最高值。该体系中优异的热电性能主要归因于高载流子迁移率的纳米相InSb的引入,一方面使基体保持了高载流子迁移率;另一方面增强了界面散射,最终相果有效地散射了基体中的载热声子,最终使得复合材料具有极低晶格热导率同时还保持高功率因子。Bi2Te2.7Se0.3-1.5 volInSb300-425 K温度范围内的平均ZT1.14,相比于前期文献报道值(0.96,如图3(c))增大了15%。

     该工作得到国家自然科学基金,安徽省自然科学基金以及中科院固体所所长基金的支持。

文章链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/ta/c8ta00525g

        

1 (a) 热电发电(Seebeck效应)示意图,(b) 热电制冷(Peltier效应)示意图。

      

2 复合体系Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (f = 01.01.52.02.5 vol%) (a) 电阻率;(b) 热电势;(c) 载流子浓度;(d) 功率因子;(e) 热导率以及 (f) 晶格热导率随温度的变化关系。

      

3复合体系Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (f = 01.01.52.02.5 vol%) (a) ZT值与温度对应关系曲线;该体系中 (b) 最高ZT值及 (c) 平均ZT值与文献报道值的对比关系图。

 

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