声子缓行,热量节流——低声速指导热电新材料开发

advs大自然的魅力在于它能不断地启示人类去思考,春暖花开与电闪雷鸣两种自然现象启迪人们对热能和电能的认识。1821年在金属中发现的Seebeck 效应使得这两种能量直接相互转换成为可能,热电科学研究由此启程。

时下能源危机愈演愈烈,开发高性能热电材料迫在眉睫。理想的热电材料应具有高的电导率及低的热导率。由于高电导率将导致高的电子热导率,使得热电性能提升困难。热电性能提升的有效途径是降低由原子振动而引起的那部分热导率(晶格热导率),该策略主导热电研究大半个世纪。其典型手段包括引入原子级别点缺陷、纳米结构等。这些手段都致力于在材料中设置各种障碍使载热基元(声子)与之发生碰撞,缩短相邻两次碰撞之间的时间间隔(弛豫时间)。

最新报道,科研人员从声子行进速度(声速,v)的角度出发,提出低声速导致低晶格热导率从而获得高热电性能的新思路。研究发现,Ag8SnSe6作为已知声速最低的热电材料之一(图a),其极低的声子行进速度使晶格热导率(kL)低至0.2 W/m-K(图b),是目前报道的最小值之一。即使该材料的电性能远不及其他传统热电材料,但其热电性能指数zT峰值可达1.2以上(图c),平均值媲美于传统热电材料 (图d)。深入研究当前主流热电材料的声速与晶格热导率的关系(图a),结果表明材料的声速越低,其晶格热导率也越低——声子缓行,热量节流,其效果与高速限速类似。

本研究工作不仅发现硫银锗矿结构化合物是一种很有前景的热电新材料,更重要的是例证了低声速对于低晶格热导率的重要性,为热电材料的研究和设计提供了新思路。

主要工作来自于同济大学裴艳中研究团队,相关论文见 Advanced Science 3, 1600196 (2016)