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黄铜矿材料体系热电性能优化研究取得进展

时间:2022-12-09 01:14:31 | 浏览:1308

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员秦晓英课题组在热电材料性能研究方面取得新进展,通过Ag、In合金化在p型赝立方结构的CuGaTe2材料中引入多组元畴结构,抑制材料中声子输运的同时显著增强其热电势,进而在大幅降低热导率的

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所研究员秦晓英课题组在热电材料性能研究方面取得新进展,通过Ag、In合金化在p型赝立方结构的CuGaTe2材料中引入多组元畴结构,抑制材料中声子输运的同时显著增强其热电势,进而在大幅降低热导率的同时保持较高的功率因子,最终其热电性能获得大幅提升,ZT=1.64@873K,为该体系已报道最高值。相关结果在线发表在《先进材料》(Advanced Materials)杂志上。

以热电材料为核心部件的热电器件可以将热能和电能进行直接转换,无需运动部件,不产生噪音污染,也不排放任何有毒或温室气体。黄铜矿结构的材料体系CuGaTe2等由于其较高的功率因子而备受关注,但是其固有的较高的晶格热导率限制了该体系热电性能的进一步提升。

针对该材料体系,并基于前期研究基础,科研人员通过在CuGaTe2中引入等电子元素In和Ag,制备出具有复杂的纳米尺寸应变畴结构的多组元合金化合物体系Cu1-xAgxGa0.4In0.6Te2 (0≤x≤0.4)。纳米尺度的多组元畴结构引起了强烈的声子散射 (如图1,2),使得优化的化合物体系热导率大幅下降,例如:在300K时的热导率从基体化合物CuGaTe2的6.1 W·m-1·K-1下降到x =0.4样品的1.5 W·m-1·K-1,如图3。最终,优化的黄铜矿样品Cu0.7Ag0.3Ga0.4In0.6Te2具有优异的热电性能,ZT达到该体系已报道最高值1.64 (873K,如图1),在300-873K温度区间的平均ZT达到0.73,优化后的黄铜矿化合物的ZT最高值和温度(300-873K)区间平均值分别比纯相CuGaTe2的ZT值提升了约37%和35%,表明在这种黄铜矿化合物中,由等电子元素合金化以及纳米尺度的畴结构可以有效地抑制热导率并显著提高其热电性能。相关工作也为后续通过微观结构的设计和构建提高其他相关材料体系的热电性能提供了重要参考。

该工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金的支持。

图1. 畴结构在黄铜矿样品中的分布及其对电声输运调控的示意图和复合体系Cu1-xAgxGa0.4In0.6Te2的热电优值ZT与温度对应关系。

图2. 复合物样品的高分辨图像及GPA应力分析显示出畴区及畴界的分布。

图3. 复合体系Cu1-xAgxGa0.4In0.6Te2(x=0, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.40)的晶格热导率随温度变化曲线。

来源:中国科学院合肥物质科学研究院

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