近期，中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院固體物理研究所研究員秦曉英課題組在Cu₃SbSe₄熱電性能研究中取得新進展。通過協(xié)同調(diào)控功率因子和導熱性，提高銅銻合金的熱電性能，相關研究成果發(fā)表在Materials Today Energy上。

隨著工業(yè)社會的發(fā)展，化石燃料供應減少，為世界人口提供可持續(xù)的能源供應已成為21世紀的社會問題。熱電材料可用作固態(tài)冰箱或熱泵，且不需使用移動部件或?qū)Νh(huán)境有害的液體。熱電技術使熱和電之間的直接轉(zhuǎn)換成為可能，因此，它被認為是一種有希望實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)電的節(jié)能手段。熱電材料的效率轉(zhuǎn)換由無量綱值的熱電優(yōu)值ZT定義。

近年來，Cu₃SbSe₄由于其組成元素廉價、本征晶格熱導率低且電輸運性質(zhì)優(yōu)異等優(yōu)點，引起科學家的關注。但是大多數(shù)研究集中在改善Cu₃SbSe₄基材料的熱電性能上，無有效方法在顯著提高功率因子的同時降低導熱系數(shù)。該研究中，科研人員將AgSb_0.98Sn_0.02Se₂粒子引入Cu₃Sb_0.96Sn_0.04Se₄基體中，通過研磨和電火花等離子燒結技術，形成Cu₃Sb_0.96Sn_0.04Se₄/x wt%AgSb_0.98Sn_0.02Se₂（x = 0，1，3，5，7）納米復合材料。研究發(fā)現(xiàn)，由于導熱系數(shù)的降低和載流子遷移率的增強，Cu₃Sb_0.96Sn_0.04Se₄/5wt%AgSb_0.98Sn_0.02Se₂樣品的ZT值達到1.17；熱導率降低由多尺度大小的第二相AgSb_0.98Sn_0.02Se₂增強聲子散射引起；界面缺陷導致的新受主能級引起遷移率增加和載流子濃度降低，從而進一步實現(xiàn)功率因子的增加。該研究表明，在Cu₃Sb_0.96Sn_0.04Se₄基體中嵌入AgSb_0.98Sn_0.02Se₂顆粒，能夠顯著提高其熱電性能。

研究工作得到國家自然科學基金的支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100491

圖1.（a）-（c）Cu₃Sb_0.96Sn_0.04Se₄/5 wt% AgSb_0.98Sn_0.02Se₂的低放大率TEM圖像；（d）Cu₃Sb_0.96Sn_0.04Se₄矩陣和結構模型的HRTEM圖像（類似于Cu₃SbSe₄[021]）

圖2.Cu₃Sb_0.96Sn_0.04Se₄/x wt%AgSb_0.98Sn_0.02Se₂（x = 0，1，3，5，7）復合樣品在溫度300-673 K范圍內(nèi)的電學性能：（a）電阻率（折射率）；（b）載流子濃度；（c）遷移率；（d）遷移率的對數(shù)隨溫度變化曲線圖

圖3.（a-b）本研究中所有樣品的總導熱系數(shù)和晶格導熱系數(shù)的隨溫度的變化；（c）復合材料中聲子輸運過程示意圖；（d）所有樣品在整個溫度范圍內(nèi)的ZT值