Small Methods: 异价合金化诱发的多尺度缺陷改善Mg2Sn热电材料性能

Mg2Sn基固溶体由于其优异的热电性能和环境友好的元素组成,在温差发电领域具有独特的竞争优势。对于该种材料而言,进一步提升其热电性能的关键,在于如何有效地降低其晶格热导率。以前的研究表明,少量的Sb元素(< 2%)在Mg2Si中起到施主掺杂、调节体系载流子浓度的作用,而大剂量Sb元素的加入,由于电价平衡需要,则能诱发Mg空位(降低电子浓度)及高密度位错,对声子输运产生了额外的散射,从而实现材料晶格热导率的大幅度降低。然而,Mg2Si类似物中Sb的合金化所产生的多尺度缺陷对电性能的恶化亦不容忽视,以至于整体热电性能并未得到有效提升。但异价合金化这一改性手段在其它同类材料(如Mg2Ge, Mg2Sn等)中又会有何种表现,亦值得研究探讨。

近日,浙江大学材料科学与工程学院的赵新兵、朱铁军教授课题组和新加坡国立大学材料科学与工程系的Stephen J. Pennycook教授课题组合作发表了题为“Multiscale Defects as Strong Phonon Scatters to Enhance Thermoelectric Performance in Mg2Sn1-xSbx Solid Solutions”的文章。本文将他们Sb合金化Mg2Si的前期研究延伸至Sb合金化Mg2Sn中。结果表明,大剂量Sb取代Sn位的Mg2Sn1-xSbx体系同样具有极低的晶格热导率:Sb含量为30%的试样,其室温晶格热导率较Sb含量2%的样品低73%之多。由于Sn和Sb原子尺度类似,质量接近,这样大的晶格热导率下降难以用合金化产生的质量波动和应力应变波动来解释。多种微结构表征手段结合声子输运模型的深入分析则表明,与Sb合金化Mg2Si材料中的情况不同,Mg2Sn1-xSbx低的晶格热导率是源于Sb元素异价合金化所诱发的镁空位及大量的间隙团簇等多尺度缺陷。另一方面,针对该材料电性能的分析表明,这些多尺度缺陷对材料载流子迁移率的影响相对较小。因此,Sb合金化Mg2Sn材料的zT值相比其掺杂成分实现了50%的提高,在750 K达到0.9,接近Mg2(Si,Sn)固溶体的性能水平,但成分更简单。该研究扩充了对材料中异价合金化所诱发的复杂多尺度缺陷及其对材料热电性能影响的认识,并为其它材料的热电性能研究提供了有意义的借鉴。

相关论文以“Multiscale Defects as Strong Phonon Scatters to Enhance Thermoelectric Performance in Mg2Sn1-xSbx Solid Solutions”为题在线发表在Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201900412)。本工作得到国家重点研发计划,国家杰出青年科学基金,国家自然科学基金以及硅材料国家重点实验室的资助。