Advanced Science:原位反应引入的“核壳”结构显著提高了SnTe基材料的热电性能

热电材料可以简单地通过建立温差或施加电流实现热能和电能的相互转换,在温差发电和半导体制冷等领域具有十分重要的应用前景。热电材料的转换效率主要受制于材料的无量纲热电优值ZT,ZT=σS2T/(κeL),其中σ、S、κe、κL分别为材料的电导率、塞贝克系数、电子热导率和晶格热导率,Z为品质因数,T为对应的绝对温度。由于塞贝克系数S、电子热导率κe和电导率σ之间彼此相互关联和牵制,因而提高材料的热电优值并非易事,需要对这些参数解耦方能提高材料的热电性能。

当前发展较为成熟的中温热电材料主要有PbTe和填充方钴矿两类合金,但重金属Pb对环境不利而Co为稀缺金属,因此研究发展环保价廉的新型中温热电材料具有重要意义。Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体SnTe与 PbTe晶体结构相同、能带结构相似,可望成为PbTe的重要替代材料。然而本征SnTe的空穴浓度极高(1020-1021 cm-3)、热导率较高以及重价带与轻价带能量劈裂较大,因此本征SnTe的热电性能低下,需要优化提高。

基于此,华中科技大学杨君友教授课题组通过向SnTe材料中复合纳米β-Zn4Sb3,在一定温度下β-Zn4Sb3分解成Zn和ZnSb两相,ZnSb相则会进一步与SnTe基体发生化学反应形成Sb@ZnTe的“核壳结构”,这一结构能够显著地散射声子从而降低体系的晶格热导率,而反应得到的Zn和Sn单质不仅可以补偿体系中的Sn空位从而降低载流子浓度,而且能够调节体系的能带结构从而有效地改善材料的电性能,最终实现了SnTe基材料热、电输运性能的协同调控,其最大热电优值ZT达1.32,与基体SnTe相比成倍提高。相关工作发表在Advanced Science(DOI:10.1002/advs.201903493)上。这一工作创新性地设计了原位化学反应,通过原位反应形成特殊的核壳微结构,从而协同调控了SnTe材料的热电性能,相关研究思路可望为其他热电材料的研究开发提供重要参考借鉴。