武汉理工大学吴劲松教授团队《Adv. Funct. Mater.》：真空诱导法快速制备高性能热电Cu2S

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合成具有可调成分和纳米结构的高性能热电材料通常需要复杂且昂贵的方法，例如高温熔融和固相反应，这些方法消耗大量时间并且成本高。
近期，武汉理工大学吴劲松教授团队开发了一种快速、可靠、低成本且环保的方法，即真空诱导法，快速的合成了具有高性能的Cu₂S基热电材料。研究者在室温下混合并研磨Cu和S粉末，将混合物置于低真空（约30Pa或更高）即可通过快速硫化反应生成Cu_2-xS化合物。通过透射电子显微镜(TEM)研究了Cu_2-xS形成的原子机制，这是一种随着Cu⁺-阳离子和S^2--阴离子扩散的异质生长机制。在低真空中，硫蒸气优先附着在具有丰富缺陷位点（例如原子空位、台阶和边缘）的铜表面上。合成的Cu_2-xS粉末经过进一步的等离子体活化烧结(PAS)处理显示出高热电性能，在800K时ZT值达到1.56。这种简单的合成方法为硫化物的制备提供了一条有效且低成本的途径，在热电材料和固体电解质中具有潜在的应用前景。
该成果以标题为“A flash vacuum-induced reaction in preparing high performance thermoelectric Cu₂S”发表在Advanced Functional Materials。武汉理工大学材料学院硕士研究生余一梦为论文第一作者，吴劲松教授为通讯作者，博士后杨东旺为共同通讯作者。此研究得到国家自然科学基金等资助支持。 
图1. 快速真空诱导法合成 Cu_2-xS 基化合物。(a)反应示意图；(b)反应过程的不同阶段；(c) FIB制备的Cu₂S粉末横截面的SEM图；(d)Cu₂S的HRTEM图像和沿[100]轴的SAED图；(e)Cu_2-xS粉末的XRD图；(f)无量纲热电优值ZT。 
图2. 通过快速离子扩散实现的Cu₂S反应机制。(a)与硫蒸气反应后铜单晶表面的SEM图；(b)形成的Cu₂S颗粒与Cu(111)单晶界面的STEM图；(c)界面的HAADF-STEM图；(d-e)图c中对应区域的FFT图像；(f)图c中的EDS图。 
图3. 真空诱导反应的机制。(a-b)具有位错和原子台阶的快速反应界面的HAADF-STEM图像；(c)铜晶体与硫蒸气反应示意图。 
图4. Cu_2-xS(x=0.05)的微观结构和Cu_2-xS块体材料的热电性能。(a)HAADF-STEM图像；(b)图a中对应区域的放大图；(c)图b中对应区域的放大图、沿[102]轴的SAED图和原子模型图；(d)电导率(s)；(e)塞贝克系数(α)；(f)载流子浓度（p_H）；(g)载流子迁移率(m_H)；(h)总热导率(k)；(i)晶格热导率(k_L)。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202107284

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