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室温热电材料
以MgSbBi为主要元素 N型热电新材料，在50-250℃的温度范围内具有和碲化铋基相当的热电性能和更好的力学韧性（3倍的KIC）（如图2所示），而元素价格仅为传统N碲化铋材料的1/4，因此有望取代传统N型室温热电材料，这是热电材料领域的重要突破。 该研究工作融合了能带结构工程调控材料的禁带宽度和Mn掺杂抑制材料的本征镁空位缺陷的技术策略，从而实现了该材料室温热电性能的突破。这项研究对于未来继续寻找更为性能优异的室温热电材料有很重要的指导意义。 此外，值得一提的是高性能的室温热电材料被列为2018年国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”之一。因此，新型的室温热电材料将成为下一个热电材料领域的热点。
南方科技大学
2021-04-13
室温热电材料的研究成果
材料科学与工程系副教授刘玮书课题组在Mg2Sb1.5Bi0.5:Mn0.01刚性室温热电材料和离子液体调制的PEDOT:PSS/IL 柔性热电材料方面取得研究新进展，相关成果分别发表在Research和Journal of Materiomics上。在刚性Mg基新型室温热电材料方面，刘玮书课题组与南科大物理系张文清教授和黄丽副教授合作，揭示了基于电子输运通道保护思想的功率因子增益策略，提升了Mg热电材料的室温性能。相关成果以“The Electronic Transport Channel Protection and Tuning in Real Space to Boost the Thermoelectric Performance of Mg3+δSb2-yBiy near Room Temperature”为题发表在由中国科协与《Science》杂志合办的高水平综合性期刊Research上。在柔性PEDOT基新型室温热电材料方面，刘玮书课题组在离子液体改性PEDOT/IL有机柔性热电薄膜材料研究的基础上，加入了还原剂调控导电聚合物链氧化态优化策略，使材料在保持良好的力学性能的同时，提高薄膜的塞贝克系数从而达到优化薄膜性能的目的。相关成果以“Enhanced thermoelectric performances of flexible PEDOT:PSS film by synergistically tuning the ordering structure and oxidation state”为题发表在中国硅酸盐学会主办的高水平期刊Journal of Materiomics上。
南方科技大学
2021-04-11
柔性PEDOT基新型室温热电材料
该研究在基于以往使用离子液体处理PEDOT:PSS导电聚合物所取得成果的基础上，进一步优化了材料的塞贝克系数以实现更好的热电转换效率。对于PEDOT/IL复合有机热电材料，仅靠离子液体对PEDOT:PSS的有序性优化，复合薄膜的塞贝克系数并未得到显著改善,功率因子PF提升不明显。为提高复合物薄膜的塞贝克系数，研究人员提出了使用还原剂对PEDOT:P
南方科技大学
2021-04-14
刚性Mg基新型室温热电材料方面
该研究详细阐述了由于实空间中Mg-Mg化学键构成的电子输运通道远离阴离子位置，使Mg3Sb2-yBiy材料体系中合金化原子散射声子降低晶格热导率的同时对电子散射较弱，有利于实现电热输运的解耦与分别调控（如图1）。最终，研究成功实现Mg3Sb2-yBiy材料体系室温功率因子的进一步提升，并在Mg3+δSb1.0Bi1.0:Mn0.01材料中实现室温下
南方科技大学
2021-04-14
刚性室温热电材料和离子液体调制的柔性热电材料方面研究
热电材料是一种可以将热能和电能进行直接转换的新能源材料，基于热电技术制备的热电发电或制冷器件具有无活动部件、无污染、无噪声等优点。传统的经典碲化铋基室温热电材料是目前唯一被商业化量产应用的热电材料，主要应用于固态制冷。虽然该材料含有的Te元素丰度极低，并且力学性能不佳，但是自上世纪60年代被发现以来，一直被工业界沿用至今，没有可替代的材料。随着物联
南方科技大学
2021-04-14
SnSe热电材料
研究发现具有层状结构的SnSe的二维界面对声子具有强烈的散射作用 (图1左)，使得SnSe沿着层间方向具有很低的热导率，在773K温度下可达最小理论值 ~ 0.18 W/mK。寻找低热导率材料和降低热导率是热电领域长期以来提高热电优值ZT的有效途径。在聚焦SnSe层间低热导率的基础上，如能在此方向上实现高的电传输性能，则可实现高的热电性能。通过简化由 Wiedemann-Franz和Pisarenko关系决定的载流子浓度对ZT值的束缚后，ZT值关系可简化为: ，可见提高层间电传输性能需同时优化载流子迁移率 (m) 和有效质量 (m)。 由于SnSe材料在800K温度点存在一个从Pnma到Cmcm的相变，经过同步辐射和变温TEM实验测试发现该相变从600K便开始持续发生。利用该持续相变特性，通过调整电子掺杂浓度可将轻导带和重导带之间经历一个简并收敛 (增加有效质量和减小迁移率) 和退简并收敛 (减小有效质量和增加迁移率) 的过程。利用这一过程，恰好优化了迁移率和有效质量的乘积 (mm) (图1中)，使得SnSe在整个温度范围内都保持较高的电传输性能。通过对比电子和空穴掺杂的n型和p型SnSe材料发现，通过电子掺杂后Sn和Se的p轨道在导带底会产生电子离域交叠杂化（而在价带顶则不存在这一现象），使得n型SnSe的电荷密度增大到足以填满层间空隙，实现了层间电子的隧穿 本征的SnSe的层状结构就像一堵墙，可以同时阻碍声子和载流子 (电子和空穴) 的传输。但通过重电子掺杂后，导带底的电子离域杂化现象增大了电荷密度，在墙内和墙之间只为电子量身定制了一条传输的隧道，如图2所示。在大电荷密度的基础上，加之连续相变引起的能带结构变化和晶体对称性的提高三个主要因素使得SnSe在层间方向表现出优异的电传输性能，当温度高于700K时，在SnSe的层间方向产生了比层内更优异的“三维电荷”传输效应。这种 “二维声子/三维电荷” 传输特点大幅提高了n型SnSe的热电性能。
南方科技大学
2021-04-13
GeTe热电材料
通过制备合适比例的Bi2Te3与GeTe的合金，人为地向体系中引入了大量的Ge空位缺陷，且如图所示，运用球差矫正电子显微镜的观测技术可以清楚地观测到这些Ge空位的前驱体空位“簇”。通过合适的热处理优化过程，研究人员还追踪到此类前驱体逐步演化成van der Waals gap空位面缺陷的过程。这些面缺陷会在材料内部诱导产生大量呈负电性的新的180度铁电畴结构，平衡材料内由载流子浓度过高导致的过剩的正电性，最终达到优化材料性能的目的。最终，该项工作使得GeTe基热电材料的总体性能大幅提升，在温度达到773K时，该体系热电材料优值ZT达到了2.4，相比于优化前，提升了60%；在323~773K较宽的工作温度区间内，材料的平均ZT高达1.28，相比于优化前整整提升了一倍，达到了中温区热电材料在商业应用中对性能的需求，使其成为中温区优良的候选材料。
南方科技大学
2021-04-13
PbTe热电材料
目前p和n型PbTe材料都拥有了非常高的热电优值。然而，PbTe材料的机械性能差，远低于其他主流的热电材料。比如，PbTe材料的洛氏硬度和抗冲击韧性分别只有39 kgmm-2和0.35 MPam1/2，远低于Bi2Te3的。这一矛盾非常不利于PbTe材料的实际应用。何佳清团队之前在n型PbTe材料中加入单质Sb，得到PbTe-3%Sb复合材料，显著提高了热电性能 (Energy and Environmental Science, 2017,10,2030)。本文在之前工作的基础上，进一步采用了固溶PbS的方法，将n型PbTe-3%Sb材料的硬度提高了60%，而其热电优值仅仅降低了6%。这一结果使PbTe材料摆脱了当前的窘境。研究发现固溶PbS（<12.5%）虽然对弹性性质如弹性模量等参数影响很小，却可以引入大量的点缺陷和位错网。因此硬度的增强主要是由于缺陷对位错运动的阻碍，而非化学键的强化作用。之前的观点认为是固溶PbS之后，PbTe材料内部的成分波动（团簇）造成了硬度显著增强。该团队的发现从一个新的视角解释了PbTe-PbS合金体系硬度的强化。
南方科技大学
2021-04-13
巨热电势的离子热电材料
基于Seebeck效应的热电转换材料可以实现热能与电能之间的直接相互转换，可为物联网体系中的小型传感器或电子设备提供可持续工作的电能。目前，基于传统电子型的热电转换材料（e-TE）在室温环境下捕获的能量可以达到毫瓦级的输出功率，但是受半导体电声输运行为的限制，优化的热电势约在200 μV/K左右。为获得1-5伏的供传感器工作的电压，在室温环境下的小温差工况下需要成千上万对n/p传统电子型热电对，增加了热电器件的集成难度和复杂程度；或者需要外接DC-
南方科技大学
2021-04-14
PbTe基热电材料
PbTe材料体系作为p型热电材料有着优异的性能，不但呈现出较高的热电优值ZT=2.3@923K（Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2056），并且在室温到900K的温度范围拥有较高的平均热电优值ZTave=1.56，因而其理论发电效率可达20.7%（Nat. Commun. 2014, 5, 4515）。这两篇论文从不同的方法和机制出发，在n型PbTe研究上实现了重大突破，极大地平衡了n型PbTe相较于p型材料性能的劣势。 第一篇论文中，该团队研究发现：通过InSb的复合及实验条件的控制，有效地在PbTe基体材料中引入多相纳米结构，可同时优化该材料体系的热、电输运性能。一方面，纳米相和基体之间的能量势垒（势阱）可以通过能量过滤效应提高Seebeck系数，进而增强功率因子；另一方面，多重纳米相的引入增强了界面处的声子散射可降低晶格热导率。最终，在n型PbTe-4％InSb复合材料中，获得极高的热电优值ZT=1.83（773 K），是目前n型PbTe材料体系中的最高值。
南方科技大学
2021-04-13