近期，中科院合肥研究院固體所材料應用技術研究室秦曉英研究員課題組在CuGaTe₂材料體系熱電性能的研究方面取得新進展：通過在CuGaTe₂基體中引入碳顆粒(CPs)后形成的電子局域化和聲子散射中心，顯著提升了材料的熱電性能。相關研究成果發表在Journal of Materials Chemistry C 上。

　　當今社會能源枯竭的問題日益嚴峻，熱電技術在眾多能源技術中脫穎而出。這是因為熱電材料可以實現熱能與電能的相互轉化并且不產生任何污染。目前，這項技術在航天、汽車等領域都有很大的應用。通常，人們用無量綱數值ZT來衡量熱電材料的轉換效率。它被定義為ZT=S²T /κρ，其中S是Seebeck系數，T是絕對溫度，κ是總熱導率，ρ是電阻率，其中S、ρ和κ是相互耦合的，這給提升熱電材料的性能帶來了限制。CuGaTe₂基熱電材料屬于黃銅礦結構，由于其本征優異的電學性能吸引了廣泛關注。但由于材料本身較高的熱導率，導致其ZT很難提升。

　　為此，科研人員通過引入碳微納顆粒(CPs)復合，制備出CuGaTe₂-CPs的復合材料。一方面，由于CPs增強了聲子散射(圖1)，導致了熱導率的大幅下降；另一方面，由于碳顆粒在該體系中的電子局域化作用，導致在CPs的周圍形成富電子區域(圖1)，進而提升了材料的電學性能。研究結果顯示，當復合的CPs含量為0.5% 時對CuGaTe₂的熱電性能提升最為顯著，ZT值在873K時高達1.0，相較于基體提升了28%(圖2)。進一步研究表明，CPs的引入使得材料的機械性能也有了很大優化(圖3)，CuGaTe₂樣品復合0.5 % 碳顆粒后，其硬度從4.45Gpa 降至3.82Gpa；同時其韌性從0.8提高到1.1 MPa×m^1/2。硬度的降低及韌性的提升為材料的生產加工提供便利，為其后續的實際應用奠定了基礎。

　　該工作得到國家自然科學基金的支持。

　　文章鏈接：http://dx.doi.org/10.1039/D0TC00795A　　

圖1. CuGaTe₂-CPs體系中各種聲子散射機制和CPs附近電子局域化的示意圖。

圖2. (a) 復合不同含量CPs的CuGaTe₂-CPs體系的ZT值隨溫度的變化關系；(b) CuGaTe₂-CPs體系的最大ZT值 (ZT_max) 和其他材料的比較。

圖3. (a) CuGaTe₂樣品和 (b)CuGaTe₂+0.5% CPs 樣品的硬度mapping圖。