近期，固體所秦曉英研究員課題組在熱電材料性能研究方面取得新進展，提出在n型碲化鉍基合金中引入具有高載流子遷移率的納米相，使基體材料保持高遷移率的同時降低熱導(dǎo)率，最終提升其熱電性能。相關(guān)結(jié)果在線發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A 6(20), 9642-9649 (2018))雜志上。 以熱電材料為核心部件的熱電器件可以將熱能和電能直接轉(zhuǎn)換，無需運動部件，不產(chǎn)生噪音污染，也不排放任何有毒或溫室氣體。圖1為以p型和n型熱電材料為基礎(chǔ)構(gòu)筑的熱電器件，它既可用于廢熱發(fā)電(圖1(a)），也可用于固態(tài)制冷(圖1(b))。其中BiSbTe已被認為是接近室溫的理想p型熱電材料；然而，對應(yīng)的n型碲化鉍基合金的熱電性能相對較差，限制了其商業(yè)應(yīng)用。研究表明，在碲化鉍基合金中引入具有高載流子遷移率的納米相，可以有效調(diào)控基體材料的熱、電輸運性能。
基于此，課題組研究人員通過球磨和放電等離子燒結(jié)法制備了一系列n型納米相InSb復(fù)合的BiTeSe基材料 (Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (0≤f≤2.5vol.％))。其中復(fù)合樣品Bi2Te2.7Se0.3-1.5 vol％InSb的熱電優(yōu)值ZT在323 K時達到1.22，為已報道的最高值。該體系中優(yōu)異的熱電性能主要歸因于高載流子遷移率的納米相InSb的引入，一方面使基體保持了高載流子遷移率，另一方面增強了界面散射，最終相果有效地散射了基體中的載熱聲子，最終使得復(fù)合材料具有極低晶格熱導(dǎo)率的同時還保持高功率因子。Bi2Te2.7Se0.3-1.5 vol％InSb在300-425 K溫度范圍內(nèi)的平均ZT為1.14，相比于前期文獻報道值0.96（如圖3(c))增大了15％。
該工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金以及中科院固體所所長基金的支持。
文章鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/ta/c8ta00525g
圖1 (a) 熱電發(fā)電(Seebeck效應(yīng))示意圖，(b) 熱電制冷(Peltier效應(yīng))示意圖。
圖2 復(fù)合體系Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (f = 0，1.0，1.5，2.0和2.5 vol%) 的 (a) 電阻率；(b) 熱電勢；(c) 載流子濃度；(d) 功率因子；(e) 熱導(dǎo)率以及 (f) 晶格熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系。
圖3復(fù)合體系Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (f = 0，1.0，1.5，2.0和2.5 vol%) 的 (a) ZT值與溫度對應(yīng)關(guān)系曲線；該體系中 (b) 最高ZT值及 (c) 平均ZT值與文獻報道值的對比關(guān)系圖。
