Joule: 同济大学研发晶格热导率低如木头的新材料用于热电能源转换

知社知社学术圈 2019-03-29

海归学者发起的公益学术平台

分享信息，整合资源

交流学术，偶尔风月

利用半导体的塞贝克效应，热电能源转换材料通过热流直接驱动电荷定向移动实现热能发电，是清洁能源技术的典型代表。高效热电材料应具有低热导率即良好的绝热性能、以及良好的导电能力。

材料晶体结构的复杂度是影响晶格热导率的关键因素。当原胞中的原子数目增多，晶格常数的增加会显著压缩第一布里渊区的体积，这将导致原本声学支的绝大部分高频晶格振动模折返回第一布里渊区并转变为光学支。进而由于材料中普遍存在原子间作用力差异及原子质量差异，布里渊区边界条件使得这些光学支在边界附近其声子行径速度骤减并趋向于零，从而大幅度降低材料的晶格热导率。

影响晶格热导率的另一个关键因素为声子的行径速度。总所周知，介质从固体到液体再到气体，声音传播速度越来越慢，表明介质的化学键越弱其声子行径速度越低、热导率也越小。在固体材料中，具有弱键和重原子组成的材料，声子色散趋于平坦，即声速很低，晶格热导率很小。

上述晶胞结构复杂性及化学键强弱是理解材料晶格热导率的经验性手段。近日，同济大学裴艳中教授课题组和合作单位香港大学陈粤教授课题组，利用原胞中原子数目(N)衡量材料晶体结构的复杂度、利用声音传播速度(v)表征材料的化学键强，在不考虑光学声子贡献的近似下得出声学波截止频率[w_m=2pv*(N`V)^-1/3]是开发具有特定晶格热导率材料的较为定量的指导依据。

据此，该研究团队着重研究新型半导体热电材料Ag₉GaSe₆，利用其复杂晶体结构及Ag离子的高迁移特性，在该材料中实现了极低的声学波截止频率（仅为0.5 THz）。该声学波截止频率为目前已知半导体材料中最低值之一；所获得的材料晶格热导率仅为0.15 W/m-K，与木头相当、约是玻璃的1/5，是已知致密固体材料中最低值之一、仅为空气热导率的三倍。作为一类新型热电材料，Ag₉GaSe₆凭借其极低的晶格热导率在800 K时热电优质达到1.5，具备媲美于现有高性能热电材料的潜质。

本研究提出声学支截止频率设计材料晶格热导率的观点，不仅可以实现快速评估材料晶格热导率，而且为新型热电材料、保温材料及高热导率材料等热功能材料的研究和设计开发提供了新思路。

近日，该研究工作以 “Highthermoelectric performance of Ag₉GaSe₆ enabled by lowcut-off frequency of acoustic phonons”为标题在能源领域新杂志《Joule》上在线发表。该期刊是权威学术出版社Cell最新发行的关于能源研究的姐妹刊物。原文链接： http://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30079-X.

本工作中，同济大学裴艳中教授(通讯作者)主要负责实验设计和结果分析；林思琪博士生(第一作者)和李文副教授，主要负责实验开展。香港大学陈粤教授主要负责理论计算。本工作获得了国家自然科学基金、国家“青年千人”计划、香港The Early Career Scheme of RGC等项目的资助，在此一并表示感谢。

附：本文通讯作者裴艳中教授对该工作的几点评论：

实际情况中，虽然光学声子对热导率的贡献非常小，却不可避免。更为精确的理论仍值得进一步研究。
在不考虑光学声子贡献的近似下，声学支截至频率(w_m)决定了晶格热导率表达式的积分上限，但被积函数仍与声速(v)有关，因此低声速仍是实现低晶格热导率的重要途径。
尽管固体材料的高温总比热(C_v)与晶体结构的复杂度无关且趋于定值，由于光学声子速度极低、对晶格热导率贡献微弱，晶体结构复杂性对晶格热导率的降低作用等效于降低了材料的声学支比热(C_v,a).