高效热电材料中的合金散射

ZrNiSn中合金散射主导的电荷传输

热电转换技术利用半导体材料的塞贝克(Seebeck)效应和帕尔贴(Peltier)效应实现热能与电能直接相互转化,在半导体制冷、工业余热和汽车尾气废热发电等领域具有重要的应用。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。Half-Heusler合金是一类物理性能丰富的材料体系,由于其成分环保无毒且性能稳定,近年来在高温发电领域尤其受到越来越多的关注,但对其热电输运的机制还缺乏深入系统的理解。

浙江大学材料系赵新兵教授、朱铁军教授及其研究团队近来在对具有代表性的ZrNiSn基half-Heusler合金的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对(Hf,Zr)NiSn固溶体电输运性能进行了深入分析,发现该体系固溶体中电荷输运以合金散射为主导,而不是常见的声学声子散射机制。同时发现该体系低的变形势和合金散射势弥补了较高态密度有效质量(m*~3me)造成的载流子迁移率的损失,这也是ZrNiSn体系具有高功率因子的主要物理机制之一。该体系声子输运则以点缺陷散射和Umklapp过程为主。由于该体系中电子、声子输运过程中的低合金散射势以及强烈的点缺陷散射,合金化能在少量损失载流子迁移率的基础上有效降低热导率,从而提高材料的热电优值。

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。