合肥研究院在熱電材料研究方面取得進展

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所秦曉英研究小組在熱電材料研究方面取得積極進展。相關成果已發表在J.Mater. Chemisty A（2015, 3, 11768）及J.Mater. Chemisty C ( 2015, 3, 7045  -7052)上。

　　熱電材料可以將熱能和電能進行直接轉換而無需運動部件，也不排放任何有毒或溫室氣體；它可利用廢熱發電也可用于固態制冷。但目前熱電材料的轉換效率(用無量綱優值ZT表征)較低（≤1），難以大規模商業應用。因此如何提高其ZT值是目前熱電材料領域研究的焦點和重點。

　　β-Zn4Sb3是一種具有潛力的環境友好型高性能熱電材料。通過誘導電子態密度(DOS)共振畸變是一種有效提高熱電材料的熱電勢S并提升熱電優值ZT的途徑。秦曉英領導的研究組及其合作者最近的實驗研究表明，稀土元素Gd摻雜引起β-Zn4Sb3費米能級附近DOS的共振畸變，表現為DOS有效質量的大幅增加；低溫比熱的測量證實了DOS共振畸變的發生；第一原理計算進一步揭示出，β-Zn4Sb3價帶頂附近出現的態密度共振峰主要來自Gd原子中d軌道電子的貢獻。由于這種態密度共振畸變，使得β-(Zn1-xGdx)4Sb3 (x=0.002, 0.003)的熱電勢增加了~40μVK-1，同時Gd摻雜導致x=0.002樣品的熱導率降低了約15%，最終使得β-(Zn1-xGdx)4Sb3 (x=0.002)樣品的ZT值在655K達到了1.2，與未摻雜樣品(ZT=0.75)相比提高了60％。此結果表明，Gd摻雜是一種引起DOS共振畸變、并有效提升β-Zn4Sb3熱電性能的方法。此工作最近發表于J. Mater. Chemistry A (2015, 3, 11768)。

　　另外，BiSbTe是目前最好的室溫附近的熱電材料，也是唯一商業化應用的室溫制冷熱電材料。但如何提高其在100-200oC附近的熱電性能以用于低級廢熱發電是極具挑戰性和經濟效益的課題。秦曉英領導的研究組及其合作者最近的研究表明，在BiSbTe基體中復合1vol.% Cu3SbSe4 納米顆粒以形成納米復合材料。除了約50%的晶格熱導率降低外，由于異質結界面勢的散射引起能量過濾效應使熱電勢率升高以及高溫區遷移率降低的減緩，使得功率因子在476K時達到37mWcm-1K-2 ，而其ZT值達到1.6，它是目前報道的在該溫區的最大值。此外，該材料在300K至500K的寬廣溫度范圍內都具有高ZT值(如在300K ZT=1.0而在500K ZT=1.5)，使得該材料在低級廢熱回收應用上具有誘人的應用前景。該工作最近發表于J. Mater. Chemistry C ( 2015, 3, 7045  -7052)。