Advanced Materials:Cu2Te基热电材料的缺陷调控与性能优化

热电能量转换技术可实现热能和电能的直接相互转换,在工业余废热回收利用发电、半导体制冷等方面具有重要的应用价值。高性能热电材料一般具有高的晶格对称性、复杂的晶体结构、组成元素较重且电负性差异较小等特点。含硫等轻元素的化合物(如PbS、Bi2S3等)的热电性能一般都比较低,而含硒或碲等较重元素的化合物(如PbSe、PbTe、Bi2Te3等)则表现出非常优异的热电性能。这主要是因为重元素的热导率往往更低;此外,硒或碲元素的电负性小,与其它阳离子成键时所含的离子键成分少,因而迁移率要也较高(图1a)。然而,在Cu2X(X=S, Se, Te)材料体系中却存在反常现象:Cu2S和Cu2Se的zT值分别高达1.9和2.3,而已报道的Cu2Te化合物最高zT值仅为1.1。

通过与Cu2S和Cu2Se的热电输运性能对比分析,研究人员发现Cu2Te体系主要存在两方面问题。一方面,Cu与Te之间成键较弱,导致铜容易析出,因此Cu2Te的载流子浓度太高;另一方面,Cu2Te体系的物相非常复杂,中高温区存在多处相变,较难控制其晶格缺陷和相变温度。前期虽然有大量科研人员投入到Cu2Te的研究中,但其热电性能一直未得到明显改善,zT值在0.4-1.1之间徘徊。如何进一步提高Cu2Te的热电优值是一大难点。

图1、(a)部分常见硫属化合物的热电性能对比;(b)空位形成能;(c)Cu2Te+x%Ag2Te的相变温度随Ag2Te含量的变化;(d)Cu2Te的热电优值zT随温度的变化。

针对上述问题,上海交通大学材料科学与工程学院与上海硅酸盐研究所的研究人员通过在Cu2Te中引入适量的Ag,成功降低了材料的载流子浓度,使得其电导率和塞贝克系数在一定程度上得到了平衡,总热导率也因载流子热导率贡献的下调而实现大幅降低。理论计算表明Ag的引入可以增加铜空位形成能(图1b),从而降低空穴浓度,与实验结果相吻合。此外,Ag的引入改变了相变前后的焓变与熵变,因此其高温相变温度从810 K降低至550 K,大幅扩展了高性能立方相的温度范围(图1c)。最终,掺Ag的Cu2Te在较宽温度范围实现了较高的热电性能,且在1000 K下zT值高达1.8(图1d),相比Cu2Te基体提高了323%。单抛物带模型分析结果表明:Cu2Te化合物与Cu2S和Cu2Se一样拥有相近的加权迁移率(),只要晶格缺陷、相变温度、载流子浓度得到合理控制,三种化合物都能获得优异的热电性能。相关结果以“Are Cu2Te-based Compounds Excellent Thermoelectric Materials”为题,发表在材料类顶级学术期刊《Advanced Materials》上(DOI: 10.1002/adma.201903480)。

该论文通讯作者为史迅研究员/教授、陈立东研究员、仇鹏飞副研究员,第一作者为赵琨鹏助理教授,理论计算由朱虹教授完成。研究工作得到了国家重点研发专项、国家自然科学基金等项目的资助和支持。