【虚拟专辑】热电材料(202409)

Bi₂Te₃基热电材料的单带和双带传输特性转变

孟雨婷, 王雪梅, 章淑娴, 陈志炜, 裴艳中

无机材料学报    2024, 39 (11): 1283-1291.

基于Peltier效应, Bi2Te3基合金被广泛应用于室温商用固态制冷。提高Bi2Te3室温热电性能的主流策略聚焦于能带和微结构工程。然而, 少数载流子部分补偿了窄带隙半导体Bi2Te3在室温下的宏观输运特性(即双极效应), 这使得人们深入理解能带结构、散射机制仍具挑战。本工作搜集了大量文献中Bi2Te3基热电材料的热电性能数据, 通过同时考虑多数载流子和少数载流子贡献的双带模型模拟了Bi2Te3基热电材料在双极效应区域附近和远离双极效应区域的热电输运特性。在模拟过程中, 将费米能级从导带过渡到价带以预测热电各项输运参数的变化情况, 并且量化了Bi2Te3基热电材料的各项基本参数, 如态密度有效质量、形变势系数等。该分析方法有助于找出提高Bi2Te3基合金热电性能的重要影响因素(如导带迁移率因子与价带迁移率因子的比值)。本工作为分析和预测材料在双极效应下的输运性能提供了一个方便的工具, 为窄带隙热电半导体的发展提供了有利的条件。

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P掺杂β-FeSi₂材料的制备与热电输运性能

程俊, 张家伟, 仇鹏飞, 陈立东, 史迅

无机材料学报    2024, 39 (8): 895-902. 

β-FeSi2作为一种绿色环保、高温抗氧化的热电材料, 在工业余热回收领域具有潜在的应用价值。虽然磷(P)是一种理想的β-FeSi2硅(Si)位的n型掺杂元素, 但是P掺杂β-FeSi2易出现第二相, 从而限制了其热电性能的提升。本研究采用感应熔炼法合成了一系列FeSi2-xPx (x=0, 0.02, 0.04, 0.06)样品, 极大程度地避免了第二相的产生, 并系统研究了P掺杂对β-FeSi2热电输运性能的影响。结果表明, P在β-FeSi2中的掺杂极限约为0.04, 与前期的理论缺陷计算结果相符。此外, P掺杂优化了β-FeSi2的热电性能, 在850 K时, FeSi1.96P0.04的最高热电优值ZT约为0.12, 远高于已有的研究结果(673 K, 最高ZT仅为0.03)。然而, 与同为n型Co和Ir掺杂的β-FeSi2相比(其载流子浓度可达1022 cm-3), P掺杂β-FeSi2的载流子浓度较低, 最高仅为1020 cm-3, 这导致其电声散射效应较弱, 从而限制了整体热电性能的提升。若能提高其载流子浓度, 则热电性能有望得到进一步提升。

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不同维度Ag₂Se构筑柔性热电薄膜的性能优化与器件集成研究

张哲, 孙婷婷, 王连军, 江莞

无机材料学报    2024, 39 (11): 1221-1227.

Ag2Se热电薄膜及器件因其窄带隙半导体特性在室温下显示出良好的热电性能, 成为近年来可穿戴热电能源转换领域的研究热点。常见的Ag2Se薄膜多由纳米颗粒堆积构筑而成, 纳米材料维度对堆积网络的热电传输特性具有重要影响。本研究采用溶剂热法和模板法分别制备了不同维度的Ag2Se纳米材料, 通过喷涂工艺结合高温热处理, 在聚酰亚胺基底上构筑了柔性Ag2Se热电薄膜, 系统研究了Ag2Se纳米材料维度对薄膜微观结构和热电性能的影响。与一维纳米线结构相比, 零维Ag2Se纳米颗粒构筑的热电薄膜具有更优的导电网络和热电性能, 薄膜的室温功率因子可达199.6 μW·m-1·K-2, 而在375 K时功率因子为257.9 μW·m-1·K-2, 表现出良好的热电性能。基于性能优异的Ag2Se薄膜, 进一步设计集成了具有四条热电臂的柔性热电器件。该器件具有良好的机械柔性和输出性能, 以20 mm为弯曲半径, 在弯曲循环1000次后, 内阻仅增加了8.2%; 在30 K的温差下, 器件开路电压可达9.1 mV, 最大输出功率达43.7 nW。本研究为制备柔性Ag2Se热电薄膜材料与器件提供了新的思路和方向。

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多元素掺杂优化SnTe的热电性能

苏浩健, 周敏, 李来风

无机材料学报    2024, 39 (10): 1159-1166.

热电材料可实现热能和电能的直接相互转换, 在温差发电和半导体制冷领域具有广阔的应用前景。SnTe作为PbTe的无毒同族类似物, 是一种极具潜力的中温区热电材料。本研究采用超重力场辅助燃烧合成(HG-CS)技术, 结合放电等离子体烧结(SPS)制备多元素掺杂的SnTe基热电材料, 系统研究了多元素掺杂对SnTe热电性能的影响规律和作用机制。在SnTe的阳离子位引入等价离子Ge2+和Pb2+, 阴离子位引入S2-和Se2-, 多元素掺杂引起大量晶格畸变点缺陷。同时, 在超重力场下快速凝固带来的塑性变形引入了应力场和大量位错, 从而形成了多级微观结构缺陷, 强烈散射中高频声子, 室温热导率从7.28 W·m-1·K-1 (未掺杂SnTe)大幅下降到2.74 W·m-1·K-1 (Sn0.70Ge0.15Pb0.15Te0.80Se0.10S0.10), 在873 K时, 其最小热导率仅为1.38 W·m-1·K-1。这些微结构缺陷散射声子的同时也散射载流子, 导致载流子迁移率和电导率降低。值得一提的是, 掺杂使SnTe的带隙减小, Seebeck系数提高, 因此掺杂后材料的功率因子仍保持较高值。实验得到Sn0.70Ge0.15Pb0.15Te0.80Se0.10S0.10的最大热电优值(ZT)达到1.02(873 K), 与未掺杂的SnTe相比得到大幅提高。

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能带优化和载流子调控改善SnTe的热电性能

陈浩, 樊文浩, 安德成, 陈少平

无机材料学报    2024, 39 (3): 306-312. 

作为ⅣA族碲化物, SnTe具有与PbTe相同的晶体结构和相似的双价带结构, 是一种非常有前途的热电材料, 但高温软化和低温热电性能差等问题阻碍了其进一步推广应用。因此, 提升SnTe的平均热电优值, 拓宽服役区间, 有重要的研究意义。能带工程和晶格工程可同时优化功率因子和晶格热导率, 提升SnTe的热电性能。本研究采用MgSe合金化策略, 通过熔炼和放电等离子烧结(SPS)的方法制备了一系列Sn1-yPbyTe-x%MgSe(0.01≤y≤0.05, 0≤x≤6)样品。研究发现, 合金化MgSe可增大能带带隙, 有效抑制本征SnTe在高温段的双极扩散, 使高温Seebeck系数得到提升, 同时声子散射降低了体系晶格热导率, 使高温热电性能(873 K)提升了100%; 掺杂Pb元素可有效调制载流子浓度抑制电子热导率, 从而提升SnTe平均热电性能。其中, Sn0.96Pb0.04Te-4%MgSe样品在873 K的ZT为1.5, 423~873 K的平均ZT达到0.8, 得到了比文献更优异的结果。

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Te基热电器件反常界面层生长行为及界面稳定性研究

苗鑫, 闫世强, 韦金豆, 吴超, 樊文浩, 陈少平

无机材料学报    2024, 39 (8): 903-910.

单质Te具有优异的热电优值(ZT), 但其与金属电极连接界面处的剧烈元素交互扩散及反应会引入较大的接触电阻率(ρc), 导致器件的转换效率(η)较低。因此, 寻找合适的阻挡层来优化Te与金属电极间的连接至关重要。本研究基于梯度结构报道了一种宽相场Ni-Te合金阻挡层NiTe2-m (NixTe(x=0.500~0.908))。结果表明, 当x=0.500时, Ni0.5Te/Te0.985Sb0.015/Ni0.5Te器件的界面处无任何反应层及微观缺陷, ρc小于10 μΩ·cm2, η在180 K温差(热端温度473 K)时达到了理论值的75%。同时, 界面具有良好的热稳定性, 在473 K老化期间, 界面微观组织、ρc以及η无明显变化。当x>0.500时, 界面反应层厚度随x增大而逐渐减小, 即主导界面反应层生长行为的因素并非常规的界面反应能及浓度梯度等热力学因素。进一步分析表明, 反常生长源于动力学因素中的“原子空位”对反应层生成的迟滞作用。

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p型多晶Bi_0.5Sb_1.5Te₃合金类施主效应与热电性能

鲁志强, 刘可可, 李强, 胡芹, 冯利萍, 张清杰, 吴劲松, 苏贤礼, 唐新峰

无机材料学报    2023, 38 (11): 1331-1337. 

晶粒细化是提高Bi0.5Sb1.5Te3合金力学性能的有效途径, 但是粉末冶金过程中晶粒细化导致的类施主效应会严重劣化材料热电性能, 制约了Bi0.5Sb1.5Te3基合金在微型热电器件中的应用。本研究围绕p型Bi0.5Sb1.5Te3基合金, 采用实验结合理论计算系统研究了粉末冶金制备过程中研磨和脱附气氛对烧结样品中类施主效应和电热输运性能的影响规律和机制。Bi0.5Sb1.5Te3基合金破碎研磨过程中粉体表面产生缺陷 VTe⋅⋅和{V}'''Sb并物理吸附空气中的O2, 在烧结过程中与吸附的O2发生缺陷化学反应, 产生大量VTe⋅⋅空位和自由电子, 导致类施主效应, 使空穴浓度大幅降低。在保护气氛下(Ar气氛)研磨避免接触空气或在空气中研磨后放置在保护气氛下脱附O2, 都可以有效抑制类施主效应, 使样品保持较高的载流子浓度和电导率, 且性能在473 K下保持稳定。在空气中研磨后直接烧结的样品和放置在空气中粉体烧结的样品表现出明显的类施主效应, 样品的载流子浓度从保护气氛处理样品的4.49×1019 cm−3下降至3.21×1019 cm−3, 采用保护气氛处理的粉体烧结样品在402 K下获得最高的热电优值ZT为1.03, 平均ZTave为0.92。该研究为调控p型多晶Bi2Te3基化合物的类施主效应和优化其热电性能提供了新思路。

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UiO-67基导电复合材料的制备及其热电性能研究

江润璐, 吴鑫, 郭昊骋, 郑琦, 王连军, 江莞

无机材料学报    2023, 38 (11): 1338-1344.

热电材料能够实现热能与电能之间直接转换, 在绿色制冷、废热回收等领域具有广阔的应用前景。目前, 对热电材料的研究主要集中在无机半导体材料和导电高分子材料上, 虽然取得了很大进展, 但探索其它新型热电材料仍具有重要意义。金属-有机框架(Metal-Organic frameworks, MOFs)是一种由有机配体和金属离子或团簇通过配位键形成的晶态多孔材料, 具有独特的多孔结构以及组分结构可调等优势, 在一定程度上可以满足“电子晶体-声子玻璃”的要求。本研究采用导电客体分子促进电荷传输的策略, 将导电高分子聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)原位聚合到锆基MOFs材料UiO-67中, 利用MOFs的有序孔道对PEDOT分子链的限域作用, 提升复合材料的电子传导能力。制备得到的PEDOT/UiO-67的电学性能研究表明, 该复合材料室温电导率最高可达5.96×10−3 S·cm−1, 比PEDOT高出1个数量级。同时, 该材料具有热电性能响应, 室温功率因子(Power Factor, PF)最高可达3.67×10−2 nW·m−1·K−2。本工作以MOF的有序孔道为反应平台, 通过简单的原位聚合合成方法构建了导电聚合物/ MOFs导电材料, 为进一步开发MOFs基热电材料提供了参考。

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不同元素掺杂对CaTiO₃微观结构及热电性能的影响

李建波, 田震, 蒋全伟, 于砺锋, 康慧君, 曹志强, 王同敏

无机材料学报    2023, 38 (12): 1396-1404.

CaTiO3是一种新兴的高温氧化物热电材料, 但多种元素掺杂对其微观结构与热电性能的影响规律尚不清晰。本研究采用水热法结合真空热压烧结分别制备了Cr、Nb、Eu、Dy、Ce与La六种不同元素掺杂的CaTiO3多晶块体样品。Cr掺杂导致大量纳米级Cr相析出, 由于基体中施主元素含量过低, 功率因子严重损失, 其ZT仅为0.012(983 K)。Eu掺杂并未为基体提供施主载流子, 导致ZT提升不明显, 仅为0.141(1031 K)。Nb掺杂导致高热导的微米级Nb相析出, 热导率上升, 但基体中Nb含量较多为基体提供了载流子, 使其ZT有明显改善, 达到0.263(1013 K)。Dy、Ce与La掺杂则既提供载流子又作为点缺陷散射声子, 既提高了功率因子又降低了晶格热导率, 极大地提升了热电性能, ZT在1031 K分别达到0.357、0.398、0.329, 比纯CaTiO3(0.096)分别提升了296%、342%、265%。其中, Dy掺杂的样品在整个温度测试范围内具有最低的晶格热导率和较高的功率因子, 通过调控Dy含量与晶界处富集第二相的含量, 可以解耦电和热传输性能, 有望刷新目前CaTiO3的ZT记录。本研究揭示了多种元素掺杂条件下CaTiO3的成分-结构-性能联系, 为其在高温热电领域的应用提供了理论支撑。

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Bi₂Te₃基热电材料的湿热稳定性研究

肖娅妮, 吕嘉南, 李振明, 刘铭扬, 刘伟, 任志刚, 刘弘景, 杨东旺, 鄢永高

无机材料学报    2023, 38 (7): 800-806.

Bi2Te3基化合物是目前得到广泛商业应用的热电材料, 其湿热稳定性直接影响着热电器件的服役可靠性。本工作探究了商用n型Bi2Se0.21Te2.79和p型Bi0.4Sb1.6Te3热电材料存储于85 ℃, 85% RH（相对湿度）湿热环境600 h期间的降解行为。在湿热处理600 h后, n型Bi2Se0.21Te2.79和p型Bi0.4Sb1.6Te3材料表面均被氧化, 反应过程分别为Bi2Te3+O2→Bi2O3+TeO2和Bi2Te3+Sb2Te3+O2→Bi2O3+Sb2O3+TeO2。氧化过程在材料内部产生了纳米级孔洞, 甚至微裂纹, 导致材料的电、热性能全面劣化。在室温时, n型Bi2Se0.21Te2.79材料的电导率从存储前的9.45×104 S·m-1显著下降到7.79×104 S·m-1, ZT则从0.97下降至0.79; p型Bi0.4Sb1.6Te3材料的Seebeck系数从243 μV·K-1明显减小至220 μV·K-1, ZT则从1.24降低到0.97。综上所述, Bi2Te3基热电材料的湿热稳定性极差, 微型热电器件在服役过程中需要进行严格封装, 以阻止热电材料自身与环境中的水汽、空气发生复杂的氧化还原反应。

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稳定立方相结构的n型无铅AgBiSe₂基热电材料

王姝灵, 蒋蒙, 王连军, 江莞

无机材料学报    2023, 38 (7): 807-814.

n型AgBiSe2基化合物的晶格热导率低, 是一种很有潜力的高性能热电材料。然而, 本征AgBiSe2化合物在300~700 K之间存在两次相变, 使其应用受限。因此, 获得具有稳定结构的AgBiSe2基化合物, 并优化热电性能至关重要。本研究选择无铅的IV-VI族化合物SnTe与AgBiSe2进行合金化, 制备了(AgBiSe2)1-x(SnTe)x (x=0.10~0.30)化合物。引入SnTe降低了AgBiSe2立方相的相变温度, 还有效抑制其发生可逆相变, 得到了稳定的立方相(AgBiSe2)0.75(SnTe)0.25材料。SnTe引起晶格中原子高度无序分布, 导致室温下晶格热导率从0.76 W·m-1·K-1(x=0.10)降低到0.51 W·m-1·K-1(x=0.30)。进一步Ag位掺杂Nb元素, 可以提升载流子浓度, 增加该体系((Ag1-yNbyBiSe2)0.75(SnTe)0.25化合物)的有效质量, 大幅度提升电性能。室温下电导率由77.7 S·cm-1(基体)增大到158.1 S·cm-1 (y=0.02)。同时, 材料中的杂质点缺陷也逐步增加, 高温下缺陷散射进一步降低晶格热导率。在700 K时, 晶格热导率由0.56 W·m-1·K-1(未掺杂)降低至0.43 W·m-1·K-1 (y=0.04), 最终获得了立方相结构稳定的(Ag0.98Nb0.02BiSe2)0.75(SnTe)0.25材料, 650 K的ZT达到0.32。上述研究结果表明, (AgBiSe2)0.75(SnTe)0.25化合物是一种具有低晶格热导率和稳定立方相结构的n型热电材料。本研究为高性能相变热电材料的晶体结构调控提出了新解决方案, 有助于进一步推动其应用发展。

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Gd/Bi_0.5Sb_1.5Te₃热电磁梯度复合材料的服役稳定性

汪波, 余健, 李存成, 聂晓蕾, 朱婉婷, 魏平, 赵文俞, 张清杰

无机材料学报    2023, 38 (6): 663-670.

将热电材料与磁卡材料复合, 发展基于热电制冷和磁制冷耦合增强的热电磁能源转换全固态制冷新技术, 有望实现从热电制冷向热电磁制冷的技术变革, 但目前热电磁复合材料在服役环境下的稳定性还有待研究。本研究采用放电等离子体烧结技术将Bi0.5Sb1.5Te3(BST)热电材料和Gd磁卡材料复合, 制备了一系列Gd/BST热电磁梯度复合材料, 系统研究了该复合材料在338 K、80%相对湿度(RH)的环境下老化12 d过程中的物相组成、显微结构、热电性能及制冷性能的演变特征。结果显示, Gd/BST热电磁梯度复合材料的物相组成和显微结构具有良好的服役稳定性, Gd/BST异质界面的Gd-Te扩散层化学成分和厚度(~4.5 µm)在老化过程中未发生明显变化。测试不同Gd浓度梯度方向热电性能和单臂器件制冷性能发现, 老化前后材料的ZT变化非常小, 单臂器件制冷温差在2.5 A阀值电流下稳定在6.5 K左右, 表明Gd/BST热电磁梯度复合材料具有良好的热电性能和制冷性能服役稳定性。

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Zintl相Mg₃X₂(X=Sb, Bi)基晶体生长及热电性能研究进展

林思琪, 李艾燃, 付晨光, 李荣斌, 金敏

无机材料学报    2023, 38 (3): 270-279.

Zintl相Mg3X2(X= Sb, Bi)基热电材料以其无毒性、价格低及性能高等优点而备受关注。与多晶相比, Mg3X2晶体在揭示材料本征热电性能、各向异性性质及电声输运调控策略等方面极具研究价值。本文系统归纳与总结近年Mg3X2基晶体的生长及热电性能发展现状。针对Mg3X2晶体生长过程中Mg元素易挥发和活泼金属性的难点, 多种技术如合适的温度冷却法、定向凝固法、助熔剂法、助熔剂坩埚下降法等被开发运用于生长Mg3X2晶体, 其中助熔剂坩埚下降法在获得大尺寸块状晶体方面更有竞争力。n型和p型Mg3Sb2晶体都呈现出各向异性的热电性能。调控晶体生长速度、Mg元素自补偿含量、杂质元素掺杂与固溶含量等手段, 都会影响Mg3X2晶体的电学性能和热学性能。目前p型和n型Mg3Sb2基晶体的最高ZT值可分别达到0.68和0.82。本文综述了Zintl相Mg3X2基晶体生长与热电性能的研究进展, 发现助熔剂坩埚下降法是制备大尺寸Mg3X2基晶体的关键, 通过元素掺杂及固溶方法调控载流子浓度和能带结构可以进一步提高Mg3X2基晶体性能。该生长方法和研究思路对将来Mg3X2基晶体制备与热电性能深入研究具有重要指导意义。

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一步法制备重费米子YbAl₃热电材料及其性能提升

贺丹琪, 魏明旭, 刘蕤之, 汤志鑫, 翟鹏程, 赵文俞

无机材料学报    2023, 38 (5): 577-582. 

材料的微观结构对其物理性能调控起着至关重要的作用。本研究以Yb和Al单质为原料, 采用放电等离子烧结工艺通过一步法快速合成YbAl3材料。显微结构表明, 快速制备的YbAl3材料内部含有大量微米尺度晶粒、纳米晶粒、纳米非晶带和多种原子尺度位错等丰富的多尺度微结构, 这些多尺度微结构可以同时增强YbAl3材料的电子和声子散射, 进而同时降低其晶格热导率(47%)和电子热导率(27%), 使得总热导率降低至13.4 W·K-1·m-1, YbAl3材料的最大ZT可达0.35。该研究表明, 通过一步法放电等离子烧结工艺可以快速合成具有多尺度微结构的高热电性能YbAl3块体材料。

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n型Bi₂Te₃基材料表面处理对热电单元性能的影响

华思恒, 杨东旺, 唐昊, 袁雄, 展若雨, 徐卓明, 吕嘉南, 肖娅妮, 鄢永高, 唐新峰

无机材料学报    2023, 38 (2): 163-169. 

Bi2Te3基微型热电器件的尺寸越小, 界面结合强度及接触电阻对于器件力学性能、开路电压以及输出功率等的影响就越显著。因此开发成本低、工艺简单的热电单元制备技术, 并使n型Bi2Te3基块体材料与阻挡层间的界面兼具低接触电阻、高结合强度具有重要意义。本工作将n型Bi2Te3基热电材料薄片在混合酸溶液(pH~3)中进行表面处理, 随后进行化学镀Ni(5 μm), 再与Cu电极焊接制备得到热电单元。腐蚀后, n型Bi2Te3基热电材料表面大的沟壑与Ni阻挡层间形成锚固效应, 腐蚀6 min的材料结合强度高达15.88 MPa。大沟壑表面进一步腐蚀后出现的精细分支与Ni阻挡层间形成纳米孔洞, 显著增大了界面接触电阻, 腐蚀2 min的材料达到2.23 Ω·cm2。最终, 腐蚀4 min后镀Ni的n型Bi2Te3基热电片材与p型Bi2Te3基热电片材制备的微型热电器件在20 K温差(高温端306 K, 低温端286 K)下的输出功率高达3.43 mW, 相较于商用电镀镀层制备的同尺寸器件提升了31.92%。本工作将为微型热电器件的性能优化提供支撑。

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区熔法制备金属硫化物Ag₂S及其热电性能研究

金敏, 白旭东, 张如林, 周丽娜, 李荣斌

无机材料学报    2022, 37 (1): 101-106.

金属硫化物Ag2S具有优异的物理化学性能, 在催化、传感及光电子等领域具有广阔的应用空间。本工作利用一种区熔技术制备了尺寸为ϕ18 mm×50 mm的Ag2S并对其潜在热电性能进行了研究。Ag2S在450 K以下具有标准的α-Ag2S单斜P21/c结构, 450 K以上发生相变成为立方β-Ag2S相。Ag2S在300~650 K范围始终具有负的Seebeck系数而呈现n型半导体特征, 这主要是因为材料中存在Ag间隙离子而提供了多余电子。Ag2S的Seebeck系数在室温下约为-1200 µV·K-1, 440 K时降为-680 µV·K -1, 当转变为β-Ag2S后则大幅降至~-100 µV·K-1。α-Ag2S的电导率几乎为零, 然而在刚发生β-Ag2S相变(450 K)时, 电导率突然增加至~40000.5 S·m-1, 而后随着温度持续升高, 其值在650 K降低为33256.2 S·m-1。霍尔测试表明Ag2S的载流子浓度nH在相变时可从~1017 cm-3迅速增加到~1018 cm-3量级。α-Ag2S和β-Ag2S的总热导率κ几乎是常数, 分别为~0.20和~0.45 W·m-1·K-1。最终Ag2S在580 K获得最大ZT值0.57, 说明它是一种很有发展潜力的中温热电材料。

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Ge掺杂MnTe材料的热电输运性能

娄许诺, 邓后权, 李爽, 张青堂, 熊文杰, 唐国栋

无机材料学报    2022, 37 (2): 209-214.

MnTe作为一种新型的无铅p型热电材料, 在中温区热电领域具有广阔的应用前景, 但其本身的热电性能不足以与高性能n型热电材料相匹配。本研究通过真空熔炼-淬火和放电等离子烧结的方法制备不同Ge掺杂量的致密且均匀的Mn1.06-xGexTe(x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04)多晶块体样品。过量的Mn可以有效抑制MnTe2相, 提高基体相的热电性能。通过掺杂4%Ge粉末, 材料的载流子浓度提高到7.328×1018 cm-3, 电导率在873 K增大到7×103 S∙cm-1, 功率因子提升至620 μW∙m-1∙K-2。同时, 通过点缺陷增强声子散射使材料的热导率降低到0.62 W∙m-1∙K-1, 实现了对材料电声输运性能的有效调控。Mn1.02Ge0.04Te在873 K获得了0.86的热电优值ZT, 较纯MnTe材料提高了43%。

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熵调控抑制ZrNiSn基half-Heusler热电材料的晶格热导率

王鹏将, 康慧君, 杨雄, 刘颖, 程成, 王同敏

无机材料学报    2022, 37 (7): 717-723.

ZrNiSn基half-Heusler热电材料具有较高的热导率, 限制了其热电性能进一步提高。为了降低晶格热导率, 本研究采用磁悬浮熔炼和放电等离子烧结的方法制备ZrNiSn和Zr0.5Hf0.5Ni1-xPtxSn (x=0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3)高熵half-Heusler热电合金。在Zr位进行Hf原子替代, Ni位进行Pt原子替代以调控该合金的构型熵, 并研究构型熵对热电性能的影响。本工作优化了Zr0.5Hf0.5Ni0.85Pt0.15Sn在673 K的最小晶格热导率和双极扩散热导率之和为2.1 W·m-1·K-1, 与ZrNiSn相比降低了约58%。这一发现为降低ZrNiSn基合金的晶格热导率提供了一种有效的策略, 有助于改善材料的热电性能。

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In₂O₃/InNbO₄复合材料的热电性能研究

程成, 李建波, 田震, 王鹏将, 康慧君, 王同敏

无机材料学报    2022, 37 (7): 724-730. 

In2O3作为一种良好的光电和气敏材料, 因高温下具有优异的热电性能在热电领域也获得广泛关注。本研究通过固相反应法结合放电等离子烧结(SPS)成功将原位自生的InNbO4第二相引入到In2O3基体中, 优化了块体样品的制备工艺。同时, InNbO4改善了样品的电输运性能, 使载流子浓度明显提高, 在1023 K时电导率最高可达1548 S·cm-1, 高于大多数元素掺杂的样品。其中, 0.998In2O3/0.002InNbO4样品的热电性能测试表明, 在1023 K时, 其功率因子可达到0.67 mW·m-1·K-2, 热电优值(ZT)达到最高值0.187。综上所述, 通过在In2O3中原位复合InNbO4第二相可以很好地改善In2O3基热电陶瓷的电性能, 进而调控其高温热电性能。

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