Advanced Functional Materials:GeTe基合金中Ge空位对提升热电性能的积极效应

热电材料是一种实现热能和电能相互转换的功能材料,在环境污染和能源危机日益严重的今天,热电材料的研究受到广泛关注。一直以来,对热电输运调控机制的深入理解是提升热电材料性能的必要前提。GeTe是一种很有前途的中温热电材料,其优异的热电性能引起了人们的极大兴趣。由于Ge空位的形成能低,导致纯GeTe的载流子浓度高达1021 cm-3,不利于提升ZT值。众多研究者通过掺杂或合金化的方法来降低载流子浓度,并结合能带工程和声子工程的协同效应,得到了许多高热电性能的GeTe基合金。因此,许多研究者认为Ge空位对提高GeTe基合金的ZT值具有负面影响,提出了各种抑制Ge空位的方法。但是Ge空位是否真的只产生消极作用呢?针对这个问题我们进行了更加细致的研究,发现事实并非如此,Ge空位在载流子浓度优化的情况下对能带结构和声子输运的调控会带来很多积极有效的影响。

深圳大学材料学院热电材料与器件课题组(本工作第一作者为:李培根、丁腾;通讯作者:张朝华)通过Pb-Bi共同掺杂首先将GeTe的空穴浓度降低至最佳范围,然后添加过量的Te来增加Ge空位,以研究Ge空位对热电性能的调控机制。

研究发现,虽然Ge空位可以提高GeTe基合金的空穴载流子浓度,但通过Pb和Bi合金化可以消除高空穴浓度的负面影响。通过第一性原理计算、理论模拟和实验测试,发现当空穴载流子浓度优化到最佳范围时,Ge空穴可以促进能带简并,从而有利于获得更高的电性能。此外,双极性输运通常在高温区会激发,不利于实现高ZT值;然而,我们发现Ge空位可以增加带隙,并使得GeTe由直接带隙向间接带隙转变,这有利于抑制GeTe基合金中的双极性输运,从而在获得高的电性能的同时能降低双极性热导率。另外,Ge空位引发的二维缺陷-层错也有助于降低晶格热导率。结合这些Ge空位导致的能带简并、抑制双极性输运、降低晶格热导率的协同效应,GeTe基合金的热电性能得到较大提升。本工作加深了对Ge空位作用机理的理解,同时为其它热电材料通过空位缺陷来提升性能提供了借鉴意义。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.201910059)上

相关工作得到了国家自然科学基金,广东省自然科学基金、深圳市孔雀计划、深圳大学的资助。