【写作竞赛】制备纳米复合热电材料新途径:非平衡中间态自组成法

据国际知名期刊Small近期报道,加州理工学院和日本科学技术振兴机构的Ikeda研究团队通过非平衡中间态成功制备了具有纳米结构的Mg2Si热电材料。如此一来,在制备稳定且元素比例限制苛刻的化合物时,就能够通过非平衡中间态来扩展成分区间,从而大大降低对元素比例的限制。在后续非平衡态向平衡态转化过程中,非平衡态所具有的高能量有助于材料中纳米结构的形成,进而有利于降低材料的热导率,提高材料将热能转换为电能的效率。

通常,对于金属合金来说,其导热能力较好(热导率约为10–102 W/m/K),因此常采用将金属液体快速冷却至较低温度的方法来获得非平衡态物质。但对于性能良好的热电材料而言,其导热能力往往较差(热导率约为1 W/m/K),在冷却过程中难以将热量快速传导,冷却速度慢,自然效果就不好。

Ikeda研究团队采用了机械合金化法,通过球磨罐中高速运动的磨球对材料强烈撞击,即使是过量的Si原子也能扩散进入Mg晶格中形成合金,获得了非平衡态,在一定程度上扩展了Mg、Si的比例。而在强烈撞击过程中,磨球不断将机械能传递给粉末颗粒,使其变为激发态,同时由于粉末具有更大的表面积,加之成分的偏差导致自由能的迅速增加,因此机械合金化得到的非平衡态物质比快速冷却后的物质蕴含更高的能量。这有利于后续成型过程中驱动非平衡态向平衡态转化,而且较大的驱动力能够提高相变过程中的形核率,最终得到大量细小的析出物,实现自组成纳米复合材料。这种纳米结构的存在有效降低了材料的热导率,提高其热电性能。

采用机械合金化法获得非平衡态,是制备纳米复合热电材料的一条新途径。研究人员有望采用这一方法制备不同体系的纳米复合热电化合物,通过控制析出物的数量、尺寸等降低材料的热导率,提高热电性能。