南洋理工《JACS》： “高熵化”助力新型高热电性能半导体材料

点击蓝字关注我们

热电能源转换技术可实现电能和热能的直接相互转化，具有安静、可靠、易维护和体积小等优点，在工业余废热的回收应用、全固态制冷，提高能源利用效率等方面具有重要的应用前景。当前的研究内容主要集中于提高传统热电材料的无量纲优值ZT和开发新型高ZT值的新型热电材料。

近日，新加坡南洋理工大学Qingyu Yan（颜清宇）教授和美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授研究团队合作，通过等量混合SnSe和AgSbSe₂得到了新型窄带隙半导体AAgSnSbSe₃，并利用Te取代Se得到了五元高熵热电材料体系AgSnSbSe_3-xTe_x，获得了功率因子和ZT值的同步提升。其中 AgSnSbSe_1.5Te_1.5材料在400-773 K范围内的平均ZT约1.0，优于大部分SnTe、PbSe基热电材料，表现出极大的应用价值。相关论文的整体研究思路如图1所示，于近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，论文的第一作者是Yubo Luo（罗裕波），现任华中科技大学教授。

图1. 论文的整体研究思路及材料的热电性能。

AgSnSbSe₃材料具有NaCl晶体结构，其中Ag/Sn/Sb随机占据着阳离子Na的位置，是典型的阳离子无序材料。第一性原理计算表明AgSnSbSe₃在费米能级附近具有3个能量差别较小的价带顶（图2a），多价带特点导致材料具有较高的态密度有效质量和塞贝克系数。同时，材料中存在光学声子/声学声子耦合（图2b）、强非简谐性（图2c）以及Ag原子的低频振动（图2d），从而具有低的本征热导率，其晶格热导率在673 K时仅~0.47  Wm^-1 K^-1。

图2. AgSnSbSe₃的能带结构和晶格振动图谱第一性原理计算结果。

进一步利用Te取代Se的位置，形成了阳离子和阴离子均无序的材料。同时，该无序材料具有Ag/Sn/Sb/Te/Se五种化学元素，也是一种典型的高熵合金材料。高熵工程在材料中引入额外的点缺陷和高密度的位错（图3a），并引起了强的晶格畸变（图3b），导致AgSnSbSe₃的晶格热导率进一步降低（图3c）。其中，AgSnSbSe_1.5Te_1.5的晶格热导率在723 K时仅~0.32 Wm^-1 K^-1。此外，Te合金化导致材料的电导率升高，功率因子获得了明显提高。电热输运性能的协同优化使材料的ZT值进一步提高，其中AgSnSbSe_1.5Te_1.5在 723 K取得最大值1.14（图3d）。

图3. 高熵合金体系的典型微结构及热电性能。

该研究提出了一种新型的半导体热电材料AgSnSbSe₃，并指出高熵工程是提高材料热电性能的有效途径，为热电材料的进一步发展提供了可能的途径。

原文链接：

High Thermoelectric Performance in the New Cubic Semiconductor AgSnSbSe₃ by High Entropy Engineering Yubo Luo, Shiqiang Hao, Songting Cai, Tyler J. Slade, Zhong Zhen Luo, Vinayak P. Dravid, Chris Wolverton, Qingyu Yan*, Mercouri G. Kanatzidis*J. Am. Chem. Soc., 2020.

https://doi.org/10.1021/jacs.0c07803

来源：X-Mol

相关阅读

免责声明：部分资料来源于网络，转载的目的在于传递更多信息及分享，并不意味着赞同其观点或证实其真实性，也不构成其他建议。仅提供交流平台，不为其版权负责。如涉及侵权，请联系我们及时修改或删除。邮箱：[e-mail]

扫描二维码

关注我们

微信号 : Chem-MSE

诚邀投稿

欢迎专家学者提供化学化工、材料科学与工程产学研方面的稿件至[e-mail]，并请注明详细联系信息。化学与材料科学®会及时选用推送。