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Cu2SnSe3材料體系熱電性能調控方面取得新進展。研究人員通過能帶調整與能量過濾效應顯著提高了材料的功率因子,并大幅降低其晶格熱導,優化了材料的熱電性能,使得材料的熱電優值提高到1。相關成果以“Improved Figure of Merit of Cu2SnSe3 via Band Structure Modification and Energy Dependent Carrier Scattering ”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces 雜志上。
熱電技術作為有望解決能源問題的新途徑近些年來引起廣泛關注。熱電材料的轉化效率由無量綱量ZT表示,ZT= S2σT /(κh+κL),其中S 是熱電勢,σ為電導率,T為絕對溫度,κh和κL分別是電子熱導和晶格熱導。Cu2SnSe3(CSS)作為一種本征低熱導環境友好型熱電材料引起廣泛關注,但是由于其較低的熱電勢和功率因子(PF=S2σ),使得材料的品質因子受到制約。
為此,科研人員通過在Sn位摻Fe調整其能帶結構,提高價帶頂的簡并度和費米能級附近的態密度(圖1)使得CSS的載流子遷移率和態密度有效質量大幅增加,導致熱電勢和功率因子顯著提高。同時,研究人員在Cu2Sn0.95Fe0.05Se3(CSFS)中引入MgO納米顆粒,通過能量過濾效應進一步提高材料的熱電勢,并由于界面散射顯著降低了材料的晶格熱導,使得ZT值在823K提高到1,相對于基體材料提高了2.5倍(圖 2)。
該工作得到國家自然科學基金的支持,理論計算在中國科學院合肥研究院物質科學計算中心完成。
文章鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c04298
圖1. (a) CSS的能帶圖;(b)CSFS 的能帶結構;(c) CSS的態密度;(d) CSFS的態密度。