中科院大連化物所熱電材料研究取得新進(jìn)展

近日，中科院大連化物所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室姜鵬研究員、包信和院士團(tuán)隊(duì)在熱電材料研究中取得新進(jìn)展，采用高熵合金提高晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的策略，成功調(diào)控GeSe晶體結(jié)構(gòu)，大幅度提高GeSe材料的熱電性能。相關(guān)研究成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。

熱電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化，作為一種潔凈能源轉(zhuǎn)換方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。但傳統(tǒng)的高性能熱電材料通常含有Bi、Pb、Te等價(jià)格昂貴、毒性高的元素，阻礙了其大規(guī)模應(yīng)用。GeSe是一種潛在的環(huán)境友好的熱電材料，理論預(yù)測(cè)其具有優(yōu)異的熱電性能，長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺少有效的摻雜方法，導(dǎo)致其載流子濃度和電導(dǎo)率都非常低，嚴(yán)重影響了其熱電性能的提升，迄今為止，文獻(xiàn)報(bào)道的GeSe材料zT實(shí)驗(yàn)值最高為0.2。

該團(tuán)隊(duì)采用高熵合金提高結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性的策略，通過(guò)將GeSe與AgSbSe2合金化，成功實(shí)現(xiàn)了GeSe晶體結(jié)構(gòu)由正交晶系（orthorhombic）向三方晶系（rhombohedral）的可控轉(zhuǎn)化。研究表明，這種更高對(duì)稱(chēng)性的三方晶系結(jié)構(gòu)具有高的載流子濃度（～1020cm-3），多重能帶，以及高的有效質(zhì)量等特征，熱電性能得到顯著提高。GeAg0.2Sb0.2Se1.4的zT在710K能達(dá)到0.86，比正交結(jié)構(gòu)的純GeSe的zT值提高了18倍，與文獻(xiàn)中報(bào)道的zT值相比提高了4倍。該研究工作不僅表明GeSe基熱電材料有很好的發(fā)展?jié)摿?，而且發(fā)展出的通過(guò)高熵合金調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)有效提高熱電性能的新方法，有望應(yīng)用到其它熱電材料體系中。

該工作的理論部分得到美國(guó)西北大學(xué)G. Jeffrey Snyder教授和中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所莊巍研究員的幫助，電鏡表征工作由中科院物理所葛炳輝副研究員合作完成。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和大連化物所自主部署基金的資助。