深大胡利鹏、西交大武海军、浙大朱铁军AS：中熵赋予的高性能立方GeTe热电

构型熵（ΔS）是功能材料基因组中一个新兴的描述符。在热电材料中，构型熵有助于实现载流子迁移率、晶格热导率和结构相变之间的微妙平衡。对于传统低熵合金（ΔS<1R）而言，掺杂是优化载流子浓度nH和散射高频声子的主要策略。然而，低熵热电材料zT值的进一步提高面临以下挑战：（a）低熵热电材料一般具有相对较高的载流子迁移率，但晶格热导率也较高；（b）低熵合金中某些掺杂元素的低固溶度限制了其性能优化的相空间。

高熵合金（ΔS>1.5 R）已经引起热电学界越来越多的关注。其基本概念是由五种或五种以上等量或大约等量元素形成的合金。有趣的是，高熵合金的核心效应与热电传输参数息息相关。例如：（1）高熵效应可提高晶体结构对称性，增加能带简并度，提高Seebeck系数；（2）不同元素之间的尺寸差不仅导致剧烈晶格扭曲效应，而且引入不同尺度的微观结构，有效散射宽波长的声子。

尽管高熵合金的晶格热导率可以降到理论最小值，但由于载流子迁移率的急剧下降，高熵本身不足以实现高zT。一方面，低熵合金具有较大的载流子迁移率，而高熵合金具有极低的晶格热导率，二者可以在中熵合金（1 R<ΔS<1.5 R）中获得平衡。另一方面，大多数优异热电材料有中等的初始晶格热导率和高（立方）或中等（菱方、六方、正方）的晶体对称性，中熵合金化足以将晶格热导率降低至理论最小值的同时，将高对称立方结构稳定在室温。

针对上述问题，深圳大学胡利鹏博士、西安交通大学武海军教授和浙江大学朱铁军教授利用“中熵热电“的设计理念，以中温区典型热电材料—GeTe为研究对象，验证了熵工程在热电材料中的效用。该文章选取Mn、Pb、Sb、Cd作为合金化元素，采用渐进式合金化方式，在GeTe基热电材料中获得了高zT>2和无相变之间的平衡。首先，高的构型熵将GeTe的菱方-立方相变温度抑制到300 K以下，不仅提高了能带简并度，而且有利于热电器件的长期服役。同时，Mn-Pb-Sb-Cd共合金化促进了多条价带收敛并增加了能带有效质量，极大地增强了Seebeck系数，弥补了载流子迁移率的下降。最后，中熵合金化引入了多尺度微观结构将其晶格热导率降低至GeTe的无定形态以下。最终，立方Ge_0.63Mn_0.15Pb_0.1Sb_0.06Cd_0.06Te的zT值在873 K达到了2.1，平均zT_ave在300 ~ 873 K之间达到了1.3，维氏硬度高达270。这些结果不仅促进了GeTe材料的实际应用，而且是新兴熵工程领域的突破。

论文信息：

Medium Entropy-Enabled High Performance Cubic GeTe Thermoelectrics

Shizhen Zhi, Jibiao Li, Lipeng Hu,* Junqin Li, Ning Li, Haijun Wu,* Fusheng Liu, Chaohua Zhang, Weiqin Ao, Heping Xie, Xinbing Zhao, Stephen John Pennycook, Tiejun Zhu*

Advanced Science

DOI: 10.1002/advs.202100220

点击左下角「阅读原文」，查看该论文原文。

Advanced

Science

期刊简介

《先进科学》（Advanced Science）Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。最新影响因子为15.840，中科院2020年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。

WILEY

相关阅读

Wiley China

Wiley China

Wiley China

MaterialsViews

Wiley旗下材料科学类期刊官方微信平台

关注我们

推送材料科研资讯｜访谈材料大咖新秀

分享撰稿投稿经验｜关注最新招聘信息

点击“分享”，给我们一点鼓励吧~