通过微/纳米结构调控实现了中温热电材料的ZT值显著提升

“二次球磨+放电等离子烧结”工艺前后材料的微/纳米结构变化及ZT值的提高

热电转换技术是一种利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的技术,热电器件因其体积小、可靠性高、不排放污染物质等特点,在全球能源、环境危机的大背景下,展现出了诱人的应用前景。高效热电材料应同时具有高电导率、高赛贝克系数以及低的热电率,即具有高的无量纲热电性能优值(ZT值)。在众多材料体系中,碲化铅(PbTe)基热电材料因其在中温范围具有高ZT值,长期受到关注。清华大学材料学院李敬锋教授及其团队一直从事热电材料及其微型器件技术的研究,最近在Ag/Sb共掺PbTe基半导体化合物热电材料研究方面取得进展

该研究组发展了一种机械合金化结合放电等离子烧结的热电材料制备技术,通过“二次球磨+放电等离子烧结”工艺实现了晶粒尺寸与纳米结构的调控,显著提高了Ag/Sb共掺PbTe基热电材料的热电性能。该研究发现,通过引入“二次球磨+放电等离子烧结”不仅可以细化晶粒,还促进在材料内部形成有利于热电传输性能调控的纳米结构。该工艺使材料的平均晶粒尺寸从300~600纳米降至100纳米左右,有效增加了晶界对声子散射,从而显著降低了热导率;同时由于晶界能量过滤效应的增强效果赛贝克系数也显著增大,实现了热电传输特性的协同调控。此外该研究还发现,新工艺有利于增加材料内部纳米尺度原位析出物(也称为纳米点)的数量,通过降低热导率的效果实现了ZT值的进一步提升。最高ZT值在723K达到1.54,与未改进工艺前相比提高了近50%,该研究指出了通过热电传输特性的协同调控提高ZT值的材料制备途径。该工作得到了国家973计划、863计划以及国家自然科学基金的资助。