Small:通过LaB₆合金化诱导能带工程和多尺度结构调控获得高性能Ge₀.₉₂Bi₀.₀₈Te基热电材料

热电技术能够实现电能与热能的相互转化,因而在废热回收、可穿戴设备和制冷方面有广泛的应用,是一种具有广泛应用前景的绿色能源技术。热电材料的能量转换效率可以通过无量纲的品质因数zT =S2σT/κ进行评估,其中S为塞贝克系数,σ为电导率,T为绝对温度,κ为总热导率。为了提高材料的热电性能,常见的策略包括能带收敛、异价掺杂、相变调控、纳米结构化和引入晶体缺陷等。近年来,GeTe基材料作为一种优秀的中温区域的热电材料引起了人们的广泛关注,但是本征GeTe具有较高的载流子浓度和较高的晶格热导率,导致zT相对较低。为了通过复合策略有效提高GeTe基材料的热电性能,研究人员对Bi掺杂的GeTe进行LaB6合金化对热电输运性能进行了协同优化。

近日,澳大利亚南昆士兰大学陈志刚教授和昆士兰大学邹进教授团队发现LaB6合金化可以同时提升Ge0.92Bi0.08Te基材料的热电性能和力学性能。通过先进电镜表征和密度泛函理论计算,团队发现LaB6在Ge0.92Bi0.08Te中的分解行为可以同时引入La掺杂和B纳米析出物,在对微结构进行调控的同时引发能带工程,通过协同优化热电输运性能使得Ge0.92Bi0.08Te(LaB6) 0.04材料在723 K时zT达到~2.2。同时,研究发现LaB6合金化通过微结构调控可以有效强化Ge0.92Bi0.08Te基材料的机械性能,展示出该系列材料在器件制备方面的应用潜力。昆士兰大学电镜与显微分析中心的孙强博士为第一作者,南昆士兰大学的陈志刚教授为论文的通讯作者。

Fig.1 (a, b) 不同温度下Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04 与已报道的Bi掺杂GeTe基材料的zTκl对比;(c, d, e) 密度泛函理论计算得到的GeTe, La-doped GeTe, Bi-La co-doped GeTe的能带结构和DOS(态密度)。
Fig.2 (a, b) Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)x (x=0, 0.02, 0.04, 0.06)的XRD谱图及晶格参数;(c, d)Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)x的SEM及EDS分析;(e) LaB6合金化的GeTe基材料的微观组织形成示意图。
Fig.3 (a) Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04的STEM HAADF图像;(b, c, d, e,f)Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04的EDS元素分布图;(g)Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04基体与B析出物的EDS谱图及成分; (h) 晶界处B析出物TEM明场图;(i)Ge, Te, LaB6, B和 Ge26LaTe27的形成能。
Fig.4 (a) Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04基体的TEM图像;(b) 局部高分辨图像及其(c)选区电子衍射;(d)面缺陷的HAADF STEM图像;(e, f, g, h, i)Ge析出物的TEM图像及EDS元素分布。

Fig.5 Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)x (x=0, 0.02, 0.04, 0.06)的热电性能:(a) 塞贝克系数(S)随温度的变化;(b) 电导率(σ)随温度的变化;(c) 300K下 SnH的关系; (d) 723K下 SnH的关系; (e) 功率因子(S2σ) 随温度的变化; (f) 热导率(κ) 随温度的变化; (g) 晶格热导κl 随温度的变化; (h) 声子传输模拟分析; (i) zT随温度的变化。

Fig.6 (a) Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04与Ge0.92Bi0.08Te的显微硬度值比较;(b)Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04与Ge0.92Bi0.08Te的压痕和裂痕的SEM分析;(c) 硬度测试示意图与解离机理分析;(d)Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04与Ge0.92Bi0.08Te的基体的纳米硬度值比较;(e)硬度测试的加载与卸载曲线;(f)Ge0.92Bi0.08Te(LaB6)0.04与其他热电材料的显微硬度比较。

陈志刚,澳大利亚南昆士兰大学能源材料教授和澳大利亚昆士兰大学荣誉教授,能源学科带头人,陈志刚教授是科睿唯安高被引科学家,长期从事功能材料特别是热电材料在能量转化的基础和应用研究。先后主持共计六百万澳元的科研项目,其中包括6项澳大利亚研究委员会、1项澳大利亚科学院、2项州政府、数项工业项目和8项校级的科研项目。在昆士兰大学和南昆士兰大学工作期间,共指导17名博士生和3名硕士研究生,其中已毕业博士生7名和硕士生4名。目前已发表310篇学术论文,共被SCI引用18400余次,H-index达到69。

孙强博士,任职于澳大利亚昆士兰大学电镜与显微分析中心,主要从事先进功能材料的设计、结构和性能研究,以及开发先进电镜技术在材料科学领域的应用,目前已发表55篇学术论文,被SCI引用700余次,H-index达到14。

论文信息:

Achieving High-Performance Ge0.92Bi0.08Te Thermoelectrics via LaB6 -Alloying-Induced Band Engineering and Multi-Scale Structure Manipulation

Qiang Sun, Xiao-Lei Shi, Min Hong, Yu Yin, Sheng-Duo Xu, Jie Chen, Lei Yang, Jin Zou, Zhi-Gang Chen*

Small

DOI: 10.1002/smll.202105923

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202105923