Li掺杂优化低形变势MgAgSb合金的热电性能

AEMrenzhifeng热电材料能够实现热能与电能直接相互转换,在半导体制冷和废热发电等领域有重要应用。理想热电材料应具有良好的电性能和低热导率,从而获得高热电优值。然而,实际应用中材料的功率因直接影响发电能力。在给定具体边界条件下,高功率因子会实现高的输出功率密度。因此,在保证高热电优值前提下,提高功率因子应受到足够关注和重视。

在低温发电领域,传统的碲化铋合金牢固占据应用市场。但是碲元素极其稀缺,地壳储量仅为金元素的四分之一,限制其大规模的实际应用。此外,强烈的双极扩散效应进一步影响其材料热电性能和器件转换效率,因此开发新型低温热电材料具有重要意义。近来,纳米MgAgSb材料已被证明具有优越的的热电性能,引起科研界广泛关注。但是由于其本征载流子浓度低,导致其相对较高的电阻率和较低的功率因子,影响进一步性能优化和实际应用。

近期,休斯顿大学任志锋教授与哈尔滨工业大学隋解和教授及博士生刘紫航等,开创性利用Li原子部分取代Mg原子,大幅度提高载流子浓度,使其接近理论最佳载流子浓度值(考虑单抛物线模型理论,且假设声学支声子散射是载流子散射的主要机制),实现显著降低电阻率和增大功率因子的目标。此外,MgAgSb合金具有超低的形变势,打破了载流子迁移率和晶格热导率的耦合关系。同时,杂质点缺陷中心和精细复杂的微观组织结构实现对声子的多尺度散射,降低晶格热导率。最终,在300K到548K温度区间,平均功率因子接近25 μW cm−1 K−2,平均热电优值达到1.1,这表明Li掺杂MgAgSb在低温区间余热发电领域的重要应用前景。

相关工作发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201502269)上。