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发现高性能SnTe基热电材料
热电材料是能够实现热能与电能直接相互转换的新能源材料，在热电制冷和废热发电等方面有着广泛的应用前景，对于提高现有能源利用率和缓解能源危机有重要作用。相比于传统热电材料PbTe，SnTe由于其廉价、环保等优势而被广为关注。然而由于其极低的赛贝克系数（seebeck coefficient）长久以来SnTe的最高以及平均热电转换效率都远低于PbTe。 文章指出在铟元素摻杂引入共振能级的情况下，将SnTe与AgSbTe2复合，从而在优化材料功率因子的同时，降低了材料的晶格热导率。此外，透射电镜表明两者是以完全固溶的形式而非两相复合的形式存在。最终，在873K时的最高zT优值达到1.3，并在323K-873K温度区间内的平均zT优值达到0.84，是本征SnTe的3.44倍，为目前该体系平均zT值的最高水平。这种将引入共振能级和多相固溶结合起来的方法，也为提升其他体系热电材料的性能指出了一个值得尝试的方向。
南方科技大学
2021-04-13
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
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
发现高性能AgBiSe2基热电材料
热电效应（Thermoelectric Effects）提供了一种在热能和电能之间直接转化的手段，在现今世界能源和环境问题的背景下，热电效应作为一种清洁有效的能源转化方式而受到广泛关注。相比于传统的热电材料，I−V−VI2 (I=Ag; V=Sb, Bi; and VI=S, Se, Te)型半导体由于本征的极低晶格热导率而成为具有良好潜力的热电材料体系。尽管AgSbTe2是其中最为广泛研究的材料，但是由于其制备需要大量丰度较低的元素碲（Tellurium），且热稳定性较差，因而人们希望用更加廉价和稳定的AgBiSe2来代替。之前对于AgBiSe2的研究，主要集中在通过对其进行元素掺杂优化载流子浓度这一方面，而本文指出通过将AgBiSe2与AgBiS2复合，使用球磨的方法使两相完全固溶，可以更进一步降低材料的晶格热导率。结果显示，材料的热导率在773K温度下，从原本的~0.5 W/mK降低到了0.33 W/mK，成为这个体系到目前为止报道的最低的热导率。结合电性能用铟掺杂改性，最终，该材料在773K时的最高ZT值到达了0.9，与该体系之前取得的最高ZT相近，是本征AgBiSe2的2.5倍左右(如图所示)。这种运用球磨实现多相固溶以降低晶格热导率的方法，也为其他体系热电材料的相关研究指出了一个值得尝试的方向。
南方科技大学
2021-04-13
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
Sb2Te3(GeTe)n基热电材料
研究中发现，通过适当的退火工艺，可以有效调控Sb2Te3(GeTe)n基材料中阳离子缺陷的类型，该工作运用球差矫正电子显微镜的原位观测技术及高角暗场扫描透射电镜技术（in situ/HAADF-STEM）等, 通过比对退火前后的样品及在电镜下模拟退火过程，清楚地追踪到样品中阳离子缺陷由短程的点缺陷聚集演化成长程的面缺陷的过程，使得调控样品内载流子浓度降低到合适的程度，最终达到优化材料性能的目的。 该项工作使得Sb2Te3(GeTe)n基热电材料的总体性能大幅提升。据悉，热点材料优值ZT越高，其转换效率越高。在温度达到773K时，热电材料优值ZT达到了2.4，在323~773K较宽的工作温度区间内，材料的平均ZT高达1.51，能够满足中温区热电材料在商业应用中对性能的需求，有望解决Sb2Te3(GeTe)n基热电材料效率较低的问题。 本研究成果在目前热电材料亟待推广的低品位废热发电方向以及未来有可能实现的可穿戴自驱动电子器件与智能传感设备方面有较大的应用前景。
南方科技大学
2021-04-13
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
高性能低膨胀铝基复合材料及构件
卫星在轨运行和返回过程中需经历极端高低温环境，构件尺寸的稳定是保证卫星在轨高精度、返回高安全、任务高可靠的关键。针对卫星搭载的某宽带微波载荷与卫星本体材料之间热膨胀系数不匹配极易导致的载荷在轨及返回过程中载荷接收精度不稳定、信息传输不连续等问题。我校陈骏教授团队以原创的负热膨胀技术研发了具有轻质、热膨胀系数低、力学性能优异、尺寸稳定性好的高性能低膨胀铝基复合材料，并研制了系列关键连接内置件、环件等高性能低膨胀构件，首次将负热膨胀技术应用到我国的卫星上，填补了高性能低膨胀金属构件在工程应用领域的空白。该技术使得某宽带微波载荷与卫星本体之间热膨胀匹配性增强、界面应力大幅度减小，保证了卫星在轨与返回过程中信号高精度传输与接收，助力卫星成功返回。
图1 实践十九号卫星成功返回（图片来源国家航天局）
图2 高性能低膨胀铝基复合材料及构件应用于全球首颗可重复使用返回式技术试验卫星（图片来源央视新闻频道）
北京科技大学
2025-05-21