黄铜矿基热电材料研究获进展

中国科学院
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近期,中国科学院合肥物质科学研究院联合中国科学技术大学等,在黄铜矿基热电材料研究方面取得进展。研究团队通过Ag/In合金化技术,在黄铜矿基热电材料中引入电荷平衡的双反位错缺陷。电中性双反位错缺陷在提升载流子浓度的同时保持载流子迁移率,并通过In合金化诱导的合金无序散射与纳米畴之间的相互作用增强声子散射,而抑制晶格热导率KH7速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

热电材料能够高效将热能转化为电能,是能源领域研究热点,其性能由无量纲优值ZT=S2σT/κ决定高性能热电材料同时满足高电导率、高塞贝克系数和低热导率。但是,热电材料中电子与声子的调控参数具有强耦合特性,难以协同调控,制约材料性能提升。当前的主要问题在于保持甚至增强材料固有电输运性能的同时抑制热输运,这也是性能突破的关键。KH7速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

研究团队通过铟合金化技术在Cu0.7Ag0.3GaTe2体系中引入电荷平衡的双反位缺陷。在Cu0.7Ag0.3Ga1-xInxTe2体系中,Cu/AgGa/In的原子比例偏离严格的1:1化学计量比这种固有的化学计量偏差为反位缺陷的形成提供了热力学驱动力。热力学分析表明,AgCu之间存在互溶性间隙,易发生相分离。因此,为实现原子尺度的均匀混合抑制Ag-Cu相分离并形成均匀固溶体,需要促进反位缺陷形成。此外,由于CuAgGaIn四种元素的原子半径相近,反位缺陷引起的晶格畸变较小,相应的缺陷形成能垒也相对较低,为双反位缺陷的稳定存在提供了有利条件。这种双反位缺陷解耦了声子散射与载流子散射机制,在保持高载流子浓度的同时提升了载流子迁移率。结果表明,双反位缺陷增加了载流子有效质量,提升了价带顶附近的态密度,并优化了塞贝克系数。同时,由铟合金化引发的合金无序散射和纳米级畴结构等复杂微观结构,增强了声子散射效应。多种声子散射机制的协同作用使Cu0.7Ag0.3Ga1-xInxTe2(x=0-0.5)的热导率降低Cu0.7Ag0.3Ga0.6In0.4Te2在873K时实现2.03ZT值(零温差),在300K-873K温度范围内平均ZT值达0.61,较纯CuGaTe2提升约59%,实现了热电性能的突破KH7速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

这一双反位缺陷策略改变了点缺陷工程的格局,并打破了电输运与热输运长期存在的权衡关系。KH7速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

相关研究成果发表在《美国化学会志》(JACS)上。研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划等的支持。KH7速刷资讯——探索最新科技、每天知道多一点SUSHUAPOS.COM

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