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【365必发vipcom】上海光机所等在新型热电材料探索方面取得进展

近期,中国科学院上海光学精密机械研究所与山东大学、常州大学及上海大学等单位的热电材料研究小组合作,在合成超低热导率的新材料方面取得新进展。研究人员利用阴阳离子协同剪裁,将笼式化合物与锑化物的结构基元进行组合,打破传统笼式化合物的固有结构与比例,获得具有“电子晶体-声子玻璃”特性的新型类笼式化合物Ba23M10Ge10Sb25δ(M = Ga, In)。这一新体系的发现为新型热电材料的定向设计提供重要依据。

新型热电材料的研究进展

热电材料性能评价指标为热电优值ZT,ZT由Seebeck系数、电导率和热导率决定。但是三个参数之间相互耦合,难以实现独立调控。而本征热导率低的材料具有明显的优势,给性能优化提供了先天条件,成为热电材料研究的热点。该课题组通过将笼合物与锑化物结合,利用笼状框架中的“振子”Ba2+产生低频振动,锑原子产生非简谐振动,有效降低晶格热导率。获得的新化合物Ba23Ga10Ge10Sb25具有类似玻璃的导热特性,在323K下的晶格热导率为0.2W﹒m-1﹒K-1,仅为经典笼式化合物Ba8Ga16Ge30的1/4。

时间:2016-12-09 10:44点击: 次来源:好文学作者:佚名评论:- 小 + 大

基于此类材料晶格热导率低的优势,通过调控载流子浓度,有望获得有实际应用价值的高温发电材料。该研究成果已被Chemistry of Materials[DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01441]在线发表。

随着能源的日益紧缺以及环境污染的日趋严重,热电材料作为一种环保、清洁的新能源材料近年来备受关注,下面是小编搜集整理的一篇探究热电材料研究进展的论文范文,供大家阅读参考。

该研究获得国家自然科学基金(No.11535010)、中科院创新交叉团队等的资助。

本文介绍了热电材料的研究进展,重点介绍了Half-Heusler金属间化合物、方钴矿、纳米技术和超晶格材料等新型热电材料的研究状况。

论文链接

热电材料;金属间化合物;超晶格材料

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引言

Ba23M10Ge10Sb25δ(M = Ga, In)的晶体结构及晶格热导率图

热电材料又称温差电材料,是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。随着新材料合成技术的发展以及用X射线衍射技术和计算机来研究化合物能带结构参数等新技术的出现,使得热电材料的研究日新月异。

1热电材料的研究进展

1.1 传统热电材料的研究进展

50年代,苏联的Ioffe院士提出了半导体热电理论,Ioffe及其同事从理论和实践上通过利用两种以上的半导体形成固溶体可使ZT值提高,从而发现了热电性能较高的致冷和发电材料,如Bi2Te3、PbTe、SiGe等固溶体合金。

常规半导体的ZT值主要依赖于载流子的有效质量、迁移率和晶格热导率,优良热电材料一般要求大的载流子迁移率和有效质量,低的晶格热导率[1]。根据这些理论原则,发现了上述的一些较好的常规半导体热电材料,如适合室温使用的Bi2Te3合金、适合中温区使用的PbTe、高温区使用的SiGe合金,更高温度下使用的SiC等。

1.2 新型热电材料的研究进展

1.2.1 Half-Heusler金属间化合物

Half-Heusle金属间化合物的通式为ABX,A为元素周期表左边的过渡元素,B为元素周期表右边的过渡元素,X为主族元素。Half-Heusler金属间化合物是立方MgAgAs型结构。这种材料的特点是在室温下有较高的电导率和Seebeck系数,可以达到300μV/K,在700~800K时,材料的ZT值可达到0.5~0.6,但缺点是热导率也很高)[2]。

1.2.2填充Skutterudite化合物

Skutterudite化合物是指具有CoAs3型结构的材料,中文名为方钴矿材料,结构通式可表示为AB3,其中A为Rh、Co、Ir等金属元素,B为Sb、As、P等非金属元素。其具有复杂的立方晶体结构,如图1所示,每个单胞中存在两个大的空隙,大质量的金属原子可以填充到空隙中,形成填充方钴矿结构。填充原子在空隙中振动,对声子产生很大的散射,大幅度降低晶格热导率[3]。填充原子越小,质量越大,晶格热导率的降低就越明显。

早期的填充方钴矿材料研究主要集中在稀土原子的填充,且多为P型材料,ZT值可达到约1.0,但是稀土元素在CoSb3结构中的填充率较低。在N型系统中,Chen等[4]在2001年首次报道了碱土金属原子Ba在CoSb3中的稳定填充结果,且实现了高达44%的填充量以及高于1.0的ZT值。研究表明,通过多原子复合填充可以显着降低晶格热导率。