多尺度声子散射改善重带热电材料性能

当今社会的能源与环境危机促使人们不断地开发新型高效的绿色能源技术。固体热电转换技术是一种能够实现热能与电能直接相互转换的绿色能源技术,提高热电材料的转换效率对于推动该技术在余热废热发电等领域的应用至关重要。传统的热电材料体系,如Bi2Te3、PbTe和SiGe合金等轻带热电材料,往往具有相对低的能带有效质量,高的载流子迁移率和相对大的平均自由程,在采用合金化或纳米化降低其晶格热导率的时候,引入的声子散射中心将不可避免地散射这些“高平均自由程”的载流子,造成迁移率下降。近年来新开发的一些重带热电材料,如填充方钴矿、half-Heusler化合物、金刚石结构的铜基化合物等,往往具有大的能带有效质量和相对低的载流子迁移率,引入大量声子散射中心时会使其晶格热导率显著降低,但是由于载流子的平均自由程往往较低,因此外源散射中心对其迁移率的影响相对较小。

advs基于以上思想,浙江大学材料学院的赵新兵教授、朱铁军教授及博士生付晨光等,以典型的重带热电材料P型FeNbSb基half-Heusler合金为研究对象,在其中引入亚微米尺度的晶界、原子尺度的点缺陷等多尺度声子散射中心,同时增强电声相互作用,使得FeNbSb的晶格热导率大幅度下降,但迁移率几乎没有损失。最终,他们在具有多尺度散射中心的Fe1.05Nb0.75Ti0.25Sb材料中实现了热电优值改善,在1150K时达到了1.34,这表明多尺度声子散射方法可以有效改善重带半导体材料的热电性能。该研究也表明低成本、热稳定性好的P型FeNbSb基half-Heusler热电材料在高温余热发电领域有重要的应用前景。

相关论文发表于Advanced Science, 1600035, 2016上。研究工作得到了国家科技部973计划,国家自然科学基金以及硅材料国家重点实验室的资助。