V2VI3热电材料中本征点缺陷的新洞察

缺陷以及缺陷工程是许多材料研究领域的核心主题。V-VI族化合物半导体V2VI3是一类在可再生能源和下一代信息技术领域有重要应用前景的半导体材料。近年来,对缺陷的深入理解和控制使有60余年研究历史的V2VI3 (V = Sb, Bi, VI = S, Se, Te)热电材料焕发了新的活力。热电材料能实现热能与电能之间的直接相互转换。V2VI3化合物做为室温附近的最佳热电材料,具有优异的热电优值ZT,在室温固态制冷、低温区发电等领域有重要的应用。近年来做为一类典型的拓扑绝缘体再次成为研究焦点。不同于掺杂、取代等外源点缺陷,V2VI3化合物中含有大量空位、反位等本征点缺陷。通过掺杂、合金化和机械变形等可以调节本征点缺陷浓度,改善其物理特性。化学计量比的V2VI3合金在晶体生长过程中就会形成本征点缺陷。由于实际Te/Se的欠量,基体中总是呈现V族元素过量。当过量的V族原子占据VI族原子的位置时,就形成带负电的反位缺陷,产生空穴;与此相反,当空余的VI族原子的位置被保留下来时,就形成带正电的阴离子空位,产生电子。但是,在进来的大量研究中,本征点缺陷的重要作用往往被忽视,对于V2VI3化合物本征点缺陷的产生与调控机理,还缺乏全面系统的研究。

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浙江大学材料学院赵新兵教授、朱铁军教授团队和美国Clemson大学贺健教授等对V2VI3热电材料中的本征点缺陷进行了长期系统的研究,认识到合理调控本征点缺陷可有效地提高其热电性能。他们深入研究了V2VI3半导体中本征点缺陷,包括空位、反位缺陷的形成机制与相互作用及调控手段。在这篇综述文章中,他们阐明了本征点缺陷的变化规律,提出成分调控、机械调控与热调控是调控本征点缺陷类型和浓度的主要手段,通过模型归纳了对V2VI3化合物中本征点缺陷的认识,并讨论了类施主效应和回复作用的影响。他们提出深入理解和调控本征点缺陷可以优化载流子浓度,调节能带结构,增强声子散射,改善电学和热学性能,并为优化成分设计提供指导。V2VI3固溶体几十年来一直是材料合成和后期加工新方法的模型系统,在热电领域缺陷工程的研究中一直是新想法,新概念,新方法的苗床。在V2VI3固溶体中研究本征点缺陷的形成机制,变化规律及其对热电性能影响机制,不仅能提高V2VI3热电材料的性能,同时对研究其他体系的热电材料和其他种类的先进功能材料均有重要的科学意义。

该邀请综述已在线发表在Advance Science,1600004, 2016上。相关研究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硅材料国家重点实验室的资助。