南京理工大学热电材料研究领域取得重要进展Acta Materialia:碳60亚纳米团簇提升热电材料性能的研究

学术   2024-11-07 09:00   陕西  

1研究背景

随着纳米科技的飞速发展,纳米材料因其独特的物理化学性质而备受关注。然而,纳米材料在热稳定性、产量以及应用范围等方面存在的局限性,限制了其在热电领域的广泛应用。热电材料能够将热能直接转换为电能,这一转换过程无需复杂的机械部件,因此在能源转换和制冷技术中具有巨大的应用潜力。然而,传统的热电材料在性能上存在瓶颈,迫切需要新的策略来提升其热电性能。近年来,亚纳米材料因其尺寸依赖性的独特性能,成为材料科学研究的新热点。本研究正是在这样的背景下,探索了碳60亚纳米团簇在全热电复合材料中的应用,以期突破传统热电材料的性能限制。

2成果简介

在这项研究中,研究人员成功构建了系列热电复合材料,通过将高稳定性的商业碳60或碳70亚纳米团簇与经典的热电材料相结合。研究发现,亚纳米团簇作为第二相材料,可以通过界面电荷转移优化载流子浓度,同时显著提高载流子迁移率。此外,碳60由于其扭曲的化学键和亚纳米孔洞,展现出超低的热导率,而界面热阻进一步抑制了声子传输。特别是,0.15摩尔%的碳60/铋锑碲3(BST)复合材料在373 K时实现了约1.6的超高ZT值,展现出约7.4%的优秀热电转换效率和约73 K的巨大制冷性能。这项工作不仅展示了亚纳米材料在热电领域的应用潜力,也为电子器件、热管理和富勒烯化学等其他领域提供了新的研究思路。

3图文导读

图1a和1b展示了碳60亚纳米团簇对BST基体材料电学和热学性能的调控作用。图中展示了C60/BST复合材料的ZT值达到了约1.6,这是目前报道的(Bi, Sb)2Te3材料中的最高水平。
图2a展示了C K-edge XANES标准化光谱,证实了C60亚纳米团簇在样品中的存在。图2b展示了BST基体和0.15摩尔% C60/BST样品的Raman光谱,证明了C60亚纳米团簇在SPS处理后的稳定性。
图3a-3c展示了BST基体和不同C60含量样品的温度依赖电学性能,包括电导率、塞贝克系数和功率因子。
图4a-4d展示了总热导率、晶格热导率以及通过Debye-Callaway模型计算得到的频率依赖光谱晶格热导率。
图5  C60/Bi0.4Sb1.6Te3复合材料随温度变化的ZT值以及0.15摩尔% C60/Bi0.4Sb1.6Te3复合材料的转换效率。
 


 4小结

本研究通过将碳60亚纳米团簇引入到热电材料中,不仅提高了材料的热电性能,还揭示了亚纳米材料在热电领域的广泛应用前景。特别是,我们证明了在较低浓度下,亚纳米团簇能够显著提高载流子迁移率和塞贝克系数,同时保持较高的电导率。此外,碳60的超低热导率和引入的界面热阻显著降低了晶格热导率。这些发现不仅为热电材料的设计提供了新的策略,也为其他领域如电子器件和热管理提供了新的研究思路。随着亚纳米材料技术的不断进步,我们有理由相信,未来热电材料将在能源转换和制冷技术中发挥更加重要的作用。


文献:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120540


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