理化所在热电材料性能优化方面取得进展

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分享： 2023/06/14 22:32:10

导读：熵工程是一种有效的方法，可以调节电输运性质和晶格热导率之间的微妙平衡，从而产生诸多不寻常的传输现象。当元素种类增加引起的△S大于焓增加量时，减小的吉布斯自由能使晶体结构稳定。

热电能源转换技术可实现电能和热能的直接相互转化，具有安静、可靠、易维护和体积小等优点，在工业余废热的回收应用、全固态制冷等方面具有重要应用前景。将热电转换技术应用于实际的主要障碍是低转换效率，能量转换效率直接取决于材料的无量纲热电优值zT。优化热电性能的一般策略是改善电输运性能和破坏热输运路径。

　　熵工程是一种有效的方法，可以调节电输运性质和晶格热导率之间的微妙平衡，从而产生诸多不寻常的传输现象。当元素种类增加引起的△S大于焓增加量时，减小的吉布斯自由能使晶体结构稳定。能量的变化表现为，合金元素溶解度极限的扩展或熵驱动的结构稳定效应。稳定的结构可以保持原子的长程排列顺序，从而保持电输运框架。由于离子质量，尺寸和键态的不匹配使晶格严重畸变，材料中存在短程无序的问题。扭曲的晶格强烈散射热传导声子，极大地降低了晶格热导率，产生低的热输运特性。

　　近日，中国科学院理化技术研究所研究人员在SnTe热电材料中，使用Ge，Pb，Sb，Mn多重元素共合金化，在结构有序和无序之间得到平衡。多尺度层次结构使简单面心立方样品获得了低于无序界限的晶格热导率(0.3 W m-1 K-1)。中熵工程还促使能带汇聚，增加了能带有效质量，从而提高了功率因子。

　　该工作展现了中熵工程在SnTe基热电材料性能调控方面的应用，为后续优化材料热电性能提供了新思路。相关成果以Fast Fabrication of SnTe via Non-Equilibrium Method and Enhanced Thermoelectric Propertied by Medium-Entropy Engineering为题发表在《材料化学杂志C》(Journal of Materials Chemistry C)上。相关研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院的资助。