Bi0.Sb5Te3/C60纳米复合材料的热电性能

【引言】

传统热电（TE）材料的极限热电转换效率仅为4％左右。效率取决于TE品质因数ZT = S2T /ρκ，此处S为塞贝克系数，ρ为电气 电阻率，κ是导热系数，T是TE器件的平均温度。 寻找ZT> 1的材料对于提高TE效率和拓宽其应用领域非常重要。在块状材料中，S，ρ和κ是相互关联的，并且取决于材料的电子结构和微观结构，而块状材料的纳米碎裂允许通过量子尺寸效应和声子的晶界散射来改变它们的传输性质（ 声子阻挡/电子传输效应）。

【成果介绍】

V. D. Blank等人合成并研究了Bi0.5Sb1.5Te3与C60富勒烯分子的热电纳米复合材料。 富勒烯分子提供声子阻挡，降低晶格热导率。使用Linseis LSR-3系统测量在300-570K的温度范围内的样品的塞贝克系数和电导率。电导率的降低远小于低富勒烯含量下的导热率降低。 因此，在305 K时，热电品质因数增加到25％。在Boltzmann方程方法的框架中，理论上分析了合成材料的热电性质。 该计算预测了在宽温度范围内热电品质因数的max载流子浓度和C60含量。

【图文导读】

图1：P型纳米复合材料中Bi-Sb-Te的平均晶粒尺寸d与粉末和烧结试样的体积浓度C60有关。

图2：p型Bi-SB-TE-C60纳米复合材料的高分辨TEM图像：（a）附聚物和（b）单独的纳米晶体。Bi0.Sb1.5 Te3纳米晶由1～2 nm C60层覆盖。在TEM图像中，这些层看起来像非晶碳，因为C60分子在纳米复合材料中没有形成任何周期性结构。

图3：（在线颜色）热导率k；（b）电阻率ρ；（c）塞贝克系数S的温度依赖性；

（d）具有不同C60含量的Bi0.Sb1.5 Te3/C60纳米复合材料的无量纲热电性能ZT。

图4：用于计算的Bi0.Sb1.5 TE3COM的示意性带结构。存在下导带（LCB）和上导带（UCB）、上价带（UVB）和下价带（LVB）。该模型假设每个频带的六个极端。

图5：（在线颜色）Bi0.5Sb1.5Te3/C60纳米复合材料的实验(点)和模拟(实线)塞贝克系数S、(b)电阻率和(c)霍尔系数的温度依赖性。

图6：（在线颜色）在311K下Bi0.5Sb1.5Te3/C60纳米复合材料中功率因数S2和晶格导热系数κL与富勒烯含量的关系。

图7：（在线颜色）计算了在Bi0.Sb1.5 Te3/C60复合材料中Zt对受主浓度的依赖关系。ZT的实验值由符号表示。

图8：（在线颜色）当受主浓度为高峰值时，Bi0.5Sb1.5Te3/C60纳米复合材料的热电性能曲线(ZT)高峰值

是富勒烯含量的函数。

【结论】

V. D. Blank等人合成并研究了由Bi0.5Sb1.5Te3化合物和C60分子组成的新型热电材料。样品（i）中C60的存在降低了Bi0.5Sb1.5Te3纳米晶体在烧结和随后退火过程中的再结晶效应。 （ii）添加1.3体积时，晶格热导率降低约3倍。有利于提高TE品质因数的C60％。 （iii）纳米复合材料的电阻率相对于起始的不含富勒烯的材料增加。这主要是由于富勒烯分子的电荷载体散射引起的。 （iv）在Boltzmann方程组解框架中对两个价带和两个导带的六谷能谱的实验数据进行分析，得到热电性能值增加25%-35%，可以通过以下方法实现，将C60分子添加到初始Bi0.Sb1.5 Te3材料中。塞贝克系数的值与电阻率非常相关。热电品质因数的改善主要是由于晶格热导率的降低。由于富勒烯分子的电荷载流子散射，电阻率的增加限制了ZT的进一步增加。