南京理工制備高性能、低成本、環境友好型SnTe熱電材料
2019-11-20 11:11:24 作者:本網整理 來源:南京理工大學 分享至:

近日,南京理工大學材料學院唐國棟教授課題組與中科院固體物理研究所合作提出利用能帶集聚和內生納米結構協同優化材料電聲輸運,成功獲得了高性能、低成本、環境友好型SnTe熱電材料。相關研究成果“Synergistic Band Convergence and Endotaxial Nanostructuring: Achieving Ultralow Lattice Thermal Conductivity and High Figure of Merit in Eco-friendly SnTe”為題,于2019年11月在線發表在國際著名學術刊物《Nano Energy》(Nano Energy 2019, 104261; DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104261,IF=15.6)。唐國棟教授為論文通訊作者,碩士生李小桐和劉吉梓副教授為共同第一作者。


熱電材料是實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料,用熱電材料制成的溫差發電裝置和制冷裝置具有無需傳動部件、運行安靜、尺寸小、無污染等諸多突出優點,在溫差發電和便攜式制冷等領域有重要應用前景。研發具有高熱電性能材料進而實現高效能量轉換是實現熱電材料規模應用的關鍵。國家、行業和企業對熱電新技術的需求十分迫切。目前,熱電材料較低的熱電性能,是制約熱電器件大規模應用的主要因素。


碲化鉛熱電轉換器體系由于其優異的性能在軍事和航空航天領域得到廣泛應用,但其有一個致命缺點-含有鉛元素,對環境不友好。其類似物SnTe被認為是一種十分理想的環境友好型熱電材料,可以很好地融入現有的碲化鉛熱電器件中,但SnTe 熱電材料的性能不高,這嚴重阻礙了SnTe 熱電材料的應用,也是急需解決的一個問題。目前提升SnTe材料的途徑大多是通過摻雜有毒元素或者貴金屬重摻雜,這不利于環保且成本大大增加。唐國棟課題組通過低含量無毒元素Ge和Sb摻雜,導致SnTe材料能帶集聚,利用能帶工程大幅提高了材料的塞貝克系數和功率因子;進一步借助相分離策略,通過快速冷卻降低材料固溶度產生內生Cu2Te納米析出相,利用內生納米相調控材料的聲子輸運,在材料中獲得了極低晶格熱導率。最終通過能帶工程和內生納米結構協同調控優化材料的電聲輸運性能,將材料的熱電優值ZT提升到1.5,ZT峰值增長約350%。該研究率先利用低含量無毒元素摻雜在SnTe 材料中獲得了高熱電性能,有利于環保和降低熱電器件應用成本,這一研究對推動SnTe 熱電材料廣泛應用具有重要意義。


該研究得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中央高校基礎科研業務費專項資金的資助。


圖1 通過低含量無毒元素摻雜在SnTe中引入能帶集聚(a) Sn0.985Te (b) Sn0.985Ge0.016Sb0.016Te


圖2 材料的微觀結構和熱電優值

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