Joule荐读：同济大学——通过声子结构设计实现低导热高性能热电材料

当今能源危机和环境污染不断加剧，对于可再生清洁能源的研究与开发备受瞩目。基于塞贝克效应，热电材料通过材料载流子输运实现热能和电能两种形式能源的相互转换。热电能源转换技术作为一类可持续清洁能源技术，具有无噪音、无污染、环境友好等特点，可在航天供电和废热利用等方面得到广泛的应用。

为实现电热能源间的高效转换，热电材料通常为兼具良好的绝热性能和导电能力的半导体材料。晶格热导率用于表征材料的绝热性能，通过晶体结构的复杂程度和化学键强弱来判断材料是否具有低晶格热导率潜力是当前的经验性方法。因此，寻找决定晶格热导率的定量化参量是开发新型低热导热电材料的关键因素。

近期，同济大学裴艳中教授和香港大学陈粤教授研究团队合作，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，得到声学波截止频率的概念[w_m=2pv*(N`V)^-1/3]。声学波截止频率参量的概念揭示了材料晶体结构复杂性和化学键对晶格热带率的贡献作用，使材料晶格热导率较为定量的评估得以实现。基于该指导思路，本研究以银硫锗矿热电材料Ag₉GaSe₆为研究对象，因其原胞中原子数目多且晶体结构复杂，结合Ag离子的高迁移和弱化学键的特性，在该材料中实现了极低的声学波截止频率(~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，其绝热与木头相当，是已知致密固体材料中最低值之一。作为首次被研究的新型热电材料，Ag₉GaSe₆极低的晶格热导率使其热电优质在800 K时达到1.5，媲美于现有高性能热电材料。

本研究中运用的声学波截止频率的概念，不仅可以实现对材料晶格热导率的评估，更为热功能材料的研究和设计提供指导思路。

相关成果发表于CellPress旗下能源期刊Joule (Joule 1, 816-830, 2017)。同济大学裴艳中教授(通讯作者)、李文副教授和林思琪博士生(第一作者)主要负责实验研究与分析，香港大学陈粤教授主要负责理论计算。本研究致谢国家自然科学基金、国家“青年千人”计划、香港The Early Career Scheme of RGC等项目的资助。

图1.声学波截止频率与晶格热导率材料的依赖关系

图2 . Ag9GaSe6声子谱图 (A) 和热导率 (B)，揭示该材料极低的声学波截止频率和晶格热导率。

Siqi Lin, Wen Li, Shasha Li, Xinyue Zhang, Zhiwei Chen,Yidong Xu, Yue Chen, Yanzhong Pei, High thermoelectric performance of Ag9GaSe6 enabled bylow cut-off frequency of acoustic phonons. Joule, 1, 816-830, 2017, DOI:10.1016/j.joule.2017.09.006

http://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(17)30079-X

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