高效绿色热电材料传输机制

Mg2Si0.45Sn0.55的迁移率与载流子浓度变化关系以及理论计算的结果

热电材料是一种能实现热-电直接相互转化的能源材料,可用于制冷及温差发电等领域。一直以来,对于热电材料电子、声子传输特性的深入理解是热电研究领域的重要课题,也是提高材料热电性能的必要前提。Mg2(Si,Sn)固溶体以其原材料绿色无毒、储量丰富,性能良好等特性,受到广泛关注。通过合理调节Si/Sn比,可显著降低材料的晶格热导率。当Si含量在40%左右时,Mg2(Si,Sn)固溶体的导带出现能带收敛(band convergence)现象,使得Seebeck系数显著增加。一般认为,利用固溶实现的能带收敛和点缺陷造成的热导率降低是该体系具有高热电性能的原因。然而,固溶体的形成,往往会在降低晶格热导率的同时,使得载流子的迁移率大大降低。

浙江大学材料系赵新兵教授朱铁军教授及其研究团队在Mg2(Si,Sn)固溶体电子和声子输运机制方面的研究取得重要进展。他们采用单椭球带模型(SPB)对Mg2Si0.45Sn0.55固溶体电输运性能进行了深入分析,通过Pisarenko图确认了态密度有效质量的增加,验证了能带收敛的存在。同时发现该体系低的变形势和合金散射势使得在形成固溶体的同时,载流子仍保持有较高的迁移率,这也是Mg2(Si,Sn)固溶体具有高热电性能的主要物理机制之一。相关论文在线发表在Adv. Energy Mater.

相关工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金,教育部新世纪优秀人才以及浙江大学硅材料国家重点实验室的资助。部分实验测试工作由朱铁军教授在加州理工学院访问时完成。