材料學(xué)院趙新兵教授課題組朱鐵軍教授指導(dǎo)的博士生付晨光在開發(fā)新型高溫?zé)犭姴牧戏矫娴难芯咳〉弥匾M展，相關(guān)成果最近連續(xù)在國際著名學(xué)術(shù)期刊Adv. Energy Mater.(IF=14.385)和Energy & Environ. Sci.(IF=15.49)上發(fā)表。
熱電材料是一種能實現(xiàn)熱-電直接相互轉(zhuǎn)化的能源材料。趙新兵教授課題組長期致力于開發(fā)新型高效的高溫?zé)犭姴牧稀Ｄ壳皣H上N型ZrNiSn基half-Heusler高溫材料的熱電優(yōu)值ZT已達到1以上，但開發(fā)高性能的P型half-Heusler熱電材料一直面臨巨大的挑戰(zhàn)。
付晨光博士生首先通過電子能帶結(jié)構(gòu)計算發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e(V,Nb)Sb基half-Heusler合金固溶體的價帶存在多兼并能谷，具有高熱電性能的潛力。基于此計算，實驗采用高含量Ti摻雜獲得了高性能的新型p型Fe(V0.6Nb0.4)1-xTixSb 固溶體，熱電優(yōu)值ZT在900K達到0.8，比常規(guī)P型half-Heusler合金提高60%。相關(guān)論文“High Band Degeneracy Contributes to High Thermoelectric Performance in p-Type Half-Heusler Compounds”今年8月在線發(fā)表于Adv. Energy Mater.。
基于以上工作，進一步分析認(rèn)為低的載流子遷移率是制約該體系獲得更高熱電優(yōu)值的主要原因。能帶結(jié)構(gòu)計算發(fā)現(xiàn)FeNbSb的價帶有效質(zhì)量低于FeVSb，同時FeNbSb具有更大的禁帶寬度。實驗通過提高Fe(V1-yNby)1-xTixSb固溶體中的Nb含量降低價帶有效質(zhì)量，從而提高載流子遷移率。同時由于禁帶寬度的增加抑制少子激發(fā)，使材料最佳使用溫度提高。最終獲得的FeNb1-xTixSb化合物的ZT值在1100K時達到1.1，這是目前p型half-Heusler化合物中獲得的最高值。此外，該化合物展現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性，原料來源豐富且環(huán)境友好，在高溫發(fā)電方面具有重要應(yīng)用前景。相關(guān)論文“Band engineering of high performance p-type FeNbSb based half-Heusler thermoelectric materials for figure of merit zT>1”作為通訊今年11月在線發(fā)表在Energy & Environ. Sci.上。
圖1、Nb含量的提高降低了化合物的有效質(zhì)量。 圖2、多種高溫?zé)犭姴牧系臒犭妰?yōu)值對比。
以上研究工作得到了國家科技部973計劃，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)新團隊，硅材料國家重點實驗室以及浙江省電池新材料與應(yīng)用技術(shù)重點實驗室的資助。
