碲化錫熱電轉(zhuǎn)換材料領(lǐng)域取得進(jìn)展

太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王文先教授團(tuán)隊(duì)利用吉布斯界面吸附有效抑制納米析出相粗化，從而獲得了一種熱穩(wěn)定型高性能碲化錫基熱電材料，并揭示出一種界面相調(diào)控?zé)犭娸斶\(yùn)行為的新機(jī)制。

基于Seebeck效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)可以在給定溫差下利用載流子的定向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)換，其在低品質(zhì)環(huán)境余廢熱回收領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。高性能的熱電材料需兼具高導(dǎo)電性和低導(dǎo)熱性，但由于各電學(xué)參量強(qiáng)烈耦合，通過缺陷工程策略降低唯一單獨(dú)可調(diào)的熱學(xué)參量晶格熱導(dǎo)率，成為優(yōu)化熱電材料性能的重要方向。

熱電材料納米化在過去幾十年里被廣泛認(rèn)為是解耦熱電輸運(yùn)參數(shù)的有效途徑。根據(jù)經(jīng)典成核理論，納米析出相的密度和尺寸分布與成核速率及其溫度和時(shí)間依賴性密切相關(guān)，傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為通過熱處理工藝便可對析出形貌進(jìn)行有效調(diào)控。但在實(shí)際服役過程中，由于過飽和固溶體中奧斯特瓦爾德熟化現(xiàn)象的存在，分布有高密度納米相的多組元合金系統(tǒng)在熱力學(xué)上總是不穩(wěn)定的，納米析出相需經(jīng)歷粗化過程釋放自身的表面自由能方可達(dá)到最低的能量配置。

受到吉布斯吸附降低界面自由能從而抑制奧斯特瓦爾德熟化的啟發(fā)，研究人員在中溫區(qū)熱電材料碲化錫中設(shè)計(jì)并構(gòu)筑了一種新穎的核殼結(jié)構(gòu)納米析出相，其中核部為CdTe相而殼部為結(jié)構(gòu)有序但化學(xué)無序的富Ag界面相。這種界面相一方面降低了界面自由能，另一方面引入了一維類晶界與零維類點(diǎn)缺陷散射源，導(dǎo)致材料的晶格熱導(dǎo)率在整個(gè)溫度區(qū)間(300～873 K)大幅下降。結(jié)合Ag、Cd、Se共摻雜SnTe增強(qiáng)的電學(xué)輸運(yùn)性能，p型SnTe合金的熱電優(yōu)值最終可以穩(wěn)定達(dá)到1.5。

此研究深刻揭示了熱電系統(tǒng)穩(wěn)定納米相的熱力學(xué)機(jī)制，對納米熱電材料的設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)意義。

(來源：中國科學(xué)報(bào))