热电性能由无量纲优值,具有高品质因子的热电材料能够有效地将废热转换为电能

热电效应是指在给定温度梯度下发生电势差的一种物理现象。常常用人格因子ZT =
S2σT/k,(在那之中S是Seebeck周密,σ代表电导率,T是温度,k则意味热导率)来表征材质的热电性能。具备高格调因子的热电材质能够有效地将废热转变为电能,具有广泛的施用前景,由此搜索具备高格调因子的热电材料是财富转变领域的三个钻探火热。为了拉长热电质感的为人因子,有二种渠道:巩固S2σ只怕下落质感的热导率。

行使半导体的Seebeck效应或Peltier效应可完结热能与电能的第一手互动调换,包涵温差发电和热电制冷二种选用情势。热电品质由无量纲优值ZT(=S2σT/κ)表征,其中SσT
κ 分别是Seebeck周到、电导率、温度和热导率,S2σ
称为功率因子。基于具有低热导率的非晶态半导体化合物,从电子能带工程和多尺度声子散射两地点一同调整电声输运,可使得创新热电质量。针对各类体系的热电质感,中科院阿里格尔资料能力与工程研讨所光电效果材料与器件团队经过理论与试验紧凑结合,在资料设计和总体性优化方面获取了浩若烟海举办。

早在一九九一年,澳大利亚国立高校的Mildred Dresselhaus教师和他的硕士生L. D.
Hicks曾预知二维量子限域效应引起的态密度巩固现象会十分大地提升质地的热电功率因子
(Phys. Rev. B 47, 12727
,那为获得高质量的热电材质提供了一个特出首要的理论辅导。然而直到方今,一向从未尝试确切地印证这些理论预测。纵然在多少实验中本征半导体材品质子阱的幅度已经缩小至电荷的波尔直径尺度,仍旧未有观测到热电质量的明朗升高。近日,作者校物理大学的梁世军副研商员和缪峰教师进行试验,同临时间与吉林业大学学张立军教师理论课题组合营,利用二维质地厚度和载流子浓度可控的特色,第二遍证实了名牌的Hicks-Dresselhaus理论预感。

对于SnTe热电材质,该团队经过理论商讨阐释了二种规范掺杂对电热输运的调节效果,并促成了SnTe热电品质的精晓提高。比如,理论商量申明本征Sn空位在SnTe能带调控中起着至关心珍贵要意义,Sn空位的存在使得Mg、Mn、Cd和Hg掺杂SnTe出现鲜明的带隙增大和轻/重价带能量差减小的特征,非常有利SnTe热电质量革新。选拔区熔法制备了Mn掺杂SnTe多晶样品,实验结果印证了以上的反驳预测。Mn/Sn合金化能够兑现带隙的叠加和轻/重价带简并,SnMnTe的Seebeck全面可达270
μV/K,ZT值为1.25。相关切磋结果刊登于J. Mater. Chem. A, 3, 19974
RSC Adv., 5, 59379 ,RSC Adv., doi:10.1039/c6ra02658c和Phys.
Chem. Chem. Phys.
, 18, 7141 。

188金宝搏 1

虽说同为IV-VI族化合物,但SnSe与SnTe晶体结构迥异。近期五年,SnSe单晶被通信具备高达2.6的ZT值。为了战胜SnSe单晶生长条件苛刻、制备周期较长、机械品质很差等毛病,制备SnSe多晶并创新其热电质量成了相关商量火爆。前段时间,该团伙利用理论总结和区熔生长法开展SnSe多晶研究职业。图2a展示了SnSe织构化区熔多晶,其功率因子和ZT值分别达9.5
μWcm-1K-2和0.9@873
K,那远高于国际上其余同类报纸发表结果,并且特别临近Nature(二〇一四, 508,
373)所报导的多晶硅结果,显示了织构化对SnSe电输运性质的立竿见影提高。通过对SnSe区熔多晶实行粉碎再组成,可涵养较高功率因子并使得热导率减少。第一性原理总计注明Ag掺杂能够拉动SnSe中轻/重价带简并,这种能带简并效应有帮忙狠抓Seebeck周密和功率因子;实验职业表明了这一驳斥估测计算,通过Ag掺杂进步了SnSe多晶的载流子浓度,功率因子达11
μWcm-1K-2,ZT值进一步升高至1.3。

188金宝搏,热电测量检验结构的暗示图; 平常的温度下,7 – 29 nm的InSe功率因子随载流子浓度变化;
9层和36层的InSe态密度分布;
功率因子随样品的量子限域长度h0与热德布罗意波长ξ的比值h0/ξ的改换,随着h0/ξ减小而坚实,特别是在h0/ξ
< 1的间隔有醒目标滋长,与插图中的理论预测是同一的。

并且,选取BiCl3掺杂SnSe显明提升了n型SnSe的载流子浓度和电导率,获得了较高的Seebeck全面和十分低的热导率。其功率因子约为5
μWcm-1K-2,ZT值达0.7,这为n型SnSe热电材质开拓提供了一种方案。相关研讨结果发布于J.
Mater. Chem. C
, 4, 1201 ,Appl. Phys. Lett., 108, 083902 。

关键的实验和申辩结果如图a所示。利用微结构发生的焦耳热扩散气象在InSe样品两端发生温度梯度dT,
随后引起样品中载流子的扩散,进而在样品两端形成都电讯工程高校压差dV,最终获得Seebeck周密S
(S =
-dV/dT)。利用该技艺能够钻探微纳结构器件的热电质量。在实行中,通过测量试验分歧厚度的InSe样品,合营组织意识样品的热电功率因子会趁机厚度减薄而赢得抓好,该试验结果和理论测算结果相平等。在图c中,通过总计29
nm和7 nm厚样品的态密度,团队意识在7
nm样品的导带边上态密度变得更深入,那注解厚度变薄会增高带边的电子能态密度,与试验结果一律。团队进一步发掘功率因子独有在量子限域长度小于载流子热德布罗意波长时才会收获显著的滋长,该实验结果与Hicks-Dresselhaus的争鸣预见切合。该钻探结果为优化功率因子和立异二维层状半导体质地的热电质量提供了首要且通用的尝试辅导。

另外,商讨职员经过中央原理总计讨论了BiCuOSe的声子输运个性,热导率计算值与试验相符。BiCuOSe的Green爱森常数在一般温度约为2.5,表明其颇有强非谐性,从而致使非常的低的热导率。切磋还标注,BiCuOSe中频仍声子振动首要由氧原子进献,何况其对完全晶格热导率的奉献抢先了30%,那与日常材料中热导率常常由声学声子振动决定有非常的大差异;通过特别研商,揭破了那些往往情势抱有较强的色散、较高的群速度且与低频声子间的散射很弱,进而确立了BiCuOSe中频仍声子对热导率有一点都不小进献的物理图像。别的,还发现BiCuOSe沿不一样方向的声子群速度及体弹模量具备很强的各向异性,那致使其晶格热导率呈明显各向异性。相关商讨结果刊登于Scientific
Reports
, 6, 21035 。

多年来,该成果近期(二零一八年10月二十十日)以“Experimental Identification of
Critical Condition for Drastically Enhancing Thermoelectric Power Factor
of Two-Dimensional Layered Materials”为题发布在Nano
Letters上。笔者校物理大学大学生生曾俊文、吉大的贺欣博士生、作者校物管理学院梁世军副切磋员为该散文的一道第一笔者,缪峰教授、梁世军副探究员和吉大的张立军教师为该随想的一块儿通信作者。

如上中国人民解放军海军事工业程大学业作获得了国家自然科学基金(11234012,11304327,11404348,11404350)、辽宁省非凡青年基金(L科雷傲16E0三千1)、罗萨里奥市自然科学基金(二〇一四A610011)和马拉加市科学和技术术革新新团队(2016B82002)的极力援助。

该项商量收获微结构科学与技能协同革新为主、南大学一年级枝独秀商量安插的辅助,以致国家特出青年科学基金、科学技术部“量子调节”国家根本应用钻探安顿项目、福建省青少年基金、国家自然科学基金、中组部“千人安排”青少年项目(Recruitment
Program of Global Youth Experts in
China)、吉大科学和技术术改动进研商团队安顿(Program for JLU Science and
Technology Innovative Research Team)、国家科学技术协理布置(National Key R
Program of China)等连串的援助。同临时候该职业也博得了密西西比大学David Singh
教授的驳斥援救。

188金宝搏 2

舆论链接:

图1. SnTe掺杂Mn、Cd能带结构

缪峰课题组链接:nano.nju.edu.cn

188金宝搏 3

(物理大学 科学手艺处)

图2.SnSe织构化多晶断面SEM图;ZT值;粉碎再组成样品的热导率;掺Ag样品的热电品质

188金宝搏 4

图3.
BiCuOSe声子输运性情:热导率随温度变化;散射击联合相会态密度随频率布满;xx与zz方向热导率及其比值;沿Г-X与Г-Z方向声子群速度随频率分布

You may also like...

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注

相关文章

网站地图xml地图