单晶和熔融淬火高密度Cu2-xSe块材的优异本征热电性能

【引言】

由于我们日益严重的环境问题和能源危机，高温热电（TE）技术对于可持续和环保的清洁能源供应越来越重要。当结上形成温度梯度时，热能可以直接转化为电能。

【成果介绍】

高温热电材料的制备成本高、工艺复杂，部分阻碍了其实际应用。在这项工作中，我们提出了热电材料的另外两个重要特性：高晶体对称性和同相熔融。通过对Cu_2-xSe的晶体结构和Cu-Se二元相图的分析，我们认为新近发现的Cu_2-xSe热电材料，其品质因数zT大于1.5at（1000K），理论上满足这些要求。采用激光闪光法(LINSEIS LFA 1000)测量了热扩散系数（D）。我们发现其优良的热电性能是固有的，对晶粒度的依赖性较小，而高密度的样品可以通过熔体淬火的方法很容易地制备出来。我们的结果显示，熔融淬火样品和单晶的热电性能几乎相同，在973 K的温度下zT高达1.7–1.8。我们的发现不仅为具有优异热电性能的高密度Cu_2-xSe块体提供了一种廉价、快速的制备方法，为Cu_2-xSe在实际热电模块中作为一种优良的元件实现商业化铺平了道路，同时也为寻找具有高晶体对称性的新型热电系统或进一步提高其他现有同成分熔融热电材料的性价比提供了指导。

【图文导读】

图1：（a） 铜硒系统的二元相图。插图所示为高温b相Cu_2-xSe的3D单元。

（b） 高温b相Cu_2-xSe的单胞分别朝向（100）和（111）平面观察。

图2：制备样品的X射线衍射图：（a） 用改进的Bridgman法生长Cu_2-xSe单晶。（b） 水淬Cu_2-xSe。（c） 淬火Cu_2-xSe。（d） 低温a相Cu_2-xSe的标准XRD峰。

图3：样品的FE-SEM图像:(a, b)单晶的表面和截面图像。插图显示了Cu, Se单晶的光学图像。水淬Cu_2-xSe的断面图像 (c) 。内部(d)和近表面(e)淬火Cu_2-xSe块的图像。(f) e图中A区的放大图像。

图4：单晶和超快速成形Cu_2-xSe块体热电输运性质的温度依赖性：

（a） 电阻率（r），（b） 塞贝克系数（S），（c） 总热导率（k），（d） 晶格热导率（k L），（e） 功率因数（PF），以及（f） 热电优值（zT）。

【结论】

结果表明，快速熔体淬火法能很好地制备出具有优良TE性能的高密度Cu_2-xSe块材，973k时zT<1.7，该方法也适用于其它类型的同熔TE材料。值得注意的是，由于熔体淬火只需少量的时间，因此可以显著降低单位时间的制造成本。我们也有提出了铜离子的立方晶对称性和液态性，使Cu_2-xSe表现出优越的TE性能。我们的研究结果为Cu_2-xSe作为TE模块中的优良组分的商业化铺平了道路，也为寻找新的各向同性TE体系或进一步提高其他同成分熔融TE材料的性价比提供了指导。