材料系能源材料課題組趙新兵教授和朱鐵軍教授指導(dǎo)的博士生胡利鵬、姜廣宇在高效熱電材料點(diǎn)缺陷調(diào)控方面的研究取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果最近連續(xù)在國際著名學(xué)術(shù)期刊Adv. Funct. Mater.（2篇），NPG Asia Mater.上發(fā)表。
熱電材料是一種能實(shí)現(xiàn)熱-電直接相互轉(zhuǎn)化的能源材料，如何提高其熱電優(yōu)值是目前熱電學(xué)領(lǐng)域的中心內(nèi)容。通常分別通過“能帶工程”提高電性能和“聲子工程”降低熱導(dǎo)率是改善熱電優(yōu)值的兩個(gè)主要方法。趙新兵教授課題組最近提出調(diào)控半導(dǎo)體材料中的點(diǎn)缺陷來同時(shí)提高電性能并降低熱導(dǎo)率的新思路。
胡利鵬博士生的工作利用室溫?zé)犭姴牧?/span>Bi2Te3基固溶體中存在本征反位缺陷和空位的結(jié)構(gòu)特征，通過增加Sb元素含量降低反位缺陷形成能，增加空穴濃度和禁帶寬度，抑制了少子激發(fā)；同時(shí)利用熱變形誘發(fā)的類施主效應(yīng)優(yōu)化載流子濃度，大量點(diǎn)缺陷的存在也使熱導(dǎo)率顯著下降，結(jié)果P型Bi2Te3基材料熱電優(yōu)值在較高溫度下達(dá)到1.3。相關(guān)論文“Shifting up the optimum figure of merit of p-type bismuth telluride based thermoelectric materials for power generation by suppressing intrinsic conduction”發(fā)表于Nature出版集團(tuán)期刊NPG Asia Mater. 6, e88, 2014上 (IF = 9.042)。
胡利鵬同學(xué)把類似原理也用在改善N型Bi2Te3基熱電材料上，并明確提出了熱電材料“點(diǎn)缺陷工程”的優(yōu)化方法，利用熱變形誘發(fā)的類施主效應(yīng)、晶格扭曲以及本征空位缺陷，使熱電優(yōu)值達(dá)到1.2，是目前N型Bi2Te3基熱電材料報(bào)導(dǎo)的最高值。相關(guān)論文“Point defect engineering of high performance bismuth telluride based thermoelectric materials”已在線發(fā)表在著名期刊Adv. Funct. Mater.上。
Mg2(Si,Sn)固溶體則是近年來廣受關(guān)注的高性能中溫區(qū)熱電材料。以往研究發(fā)現(xiàn)，該體系中存在的Mg間隙可有效調(diào)控載流子濃度。Sb在Sn為少量摻雜時(shí)可提供電子，但當(dāng)Sb含量高于10%時(shí)，會導(dǎo)致Mg空位出現(xiàn)。姜廣宇博士生利用這一特性，同時(shí)調(diào)節(jié)Mg和Sb含量，實(shí)現(xiàn)了Mg2(Si,Sn)固溶體中Mg間隙和空位的共存，并采用理論模型對熱導(dǎo)率進(jìn)行深入分析。發(fā)現(xiàn)大量Mg空位造成顯著的應(yīng)力應(yīng)變散射和質(zhì)量波動散射，使材料晶格熱導(dǎo)率接近其理論最小值，最終獲得熱電優(yōu)值改善的Mg2(Si,Sn)材料。相關(guān)論文“High Performance Mg2(Si,Sn) Solid Solutions: a Point Defect Chemistry Approach to Enhancing Thermoelectric Properties”已在線發(fā)表在Adv. Funct. Mater.上。
以上研究工作得到了國家科技部973計(jì)劃，國家自然科學(xué)基金，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江省電池新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
