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南京理工制备高性能、低成本、环境友好型SnTe热电材料
发布:Iron_MAN10   时间:2019/11/22 9:23:57   阅读:431 

近日,南京理工大学材料学院唐国栋教授课题组与中科院固体物理研究所合作提出利用能带集聚和内生纳米结构协同优化材料电声输运,成功获得了高性能、低成本、环境友好型SnTe热电材料。相关研究成果“Synergistic Band Convergence and Endotaxial Nanostructuring: Achieving Ultralow Lattice Thermal Conductivity and High Figure of Merit in Eco-friendly SnTe”为题,于2019年11月在线发表在国际著名学术刊物《Nano Energy》(Nano Energy 2019, 104261; DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104261,IF=15.6)。唐国栋教授为论文通讯作者,硕士生李小桐和刘吉梓副教授为共同第一作者。

热电材料是实现热能和电能直接相互转换的功能材料,用热电材料制成的温差发电装置和制冷装置具有无需传动部件、运行安静、尺寸小、无污染等诸多突出优点,在温差发电和便携式制冷等领域有重要应用前景。研发具有高热电性能材料进而实现高效能量转换是实现热电材料规模应用的关键。国家、行业和企业对热电新技术的需求十分迫切。目前,热电材料较低的热电性能,是制约热电器件大规模应用的主要因素。

碲化铅热电转换器体系由于其优异的性能在军事和航空航天领域得到广泛应用,但其有一个致命缺点-含有铅元素,对环境不友好。其类似物SnTe被认为是一种十分理想的环境友好型热电材料,可以很好地融入现有的碲化铅热电器件中,但SnTe 热电材料的性能不高,这严重阻碍了SnTe 热电材料的应用,也是急需解决的一个问题。目前提升SnTe材料的途径大多是通过掺杂有毒元素或者贵金属重掺杂,这不利于环保且成本大大增加。唐国栋课题组通过低含量无毒元素Ge和Sb掺杂,导致SnTe材料能带集聚,利用能带工程大幅提高了材料的塞贝克系数和功率因子;进一步借助相分离策略,通过快速冷却降低材料固溶度产生内生Cu2Te纳米析出相,利用内生纳米相调控材料的声子输运,在材料中获得了极低晶格热导率。最终通过能带工程和内生纳米结构协同调控优化材料的电声输运性能,将材料的热电优值ZT提升到1.5,ZT峰值增长约350%。该研究率先利用低含量无毒元素掺杂在SnTe 材料中获得了高热电性能,有利于环保和降低热电器件应用成本,这一研究对推动SnTe 热电材料广泛应用具有重要意义。

该研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基础科研业务费专项资金的资助。
 

图1 通过低含量无毒元素掺杂在SnTe中引入能带集聚(a) Sn0.985Te (b) Sn0.985Ge0.016Sb0.016Te


图2 材料的微观结构和热电优值


来源:南京理工大学
 
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