合肥研究院在热电材料研究方面取得进展

　　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，提出在n型碲化铋基合金中引入具有高载流子迁移率的纳米相，使基体材料保持高迁移率的同时降低热导率，最终提升其热电性能。相关结果在线发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A 6(20), 9642-9649 (2018))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。图1为以p型和n型热电材料为基础构筑的热电器件，它既可用于废热发电(图1(a)），也可用于固态制冷(图1(b))。其中BiSbTe已被认为是接近室温的理想p型热电材料；然而，对应的n型碲化铋基合金的热电性能相对较差，限制了其商业应用。研究表明，在碲化铋基合金中引入具有高载流子迁移率的纳米相，可以有效调控基体材料的热、电输运性能。

　　基于此，课题组研究人员通过球磨和放电等离子烧结法制备了一系列n型纳米相InSb复合的BiTeSe基材料 (Bi₂Te_2.7Se_0.3-f(InSb) (0≤f≤2.5vol.％))。其中复合样品Bi₂Te_2.7Se_0.3-1.5 vol％InSb的热电优值ZT在323 K时达到1.22，为已报道的最高值。该体系中优异的热电性能主要归因于高载流子迁移率的纳米相InSb的引入，一方面使基体保持了高载流子迁移率，另一方面增强了界面散射，有效地散射了基体中的载热声子，最终使得复合材料具有极低晶格热导率的同时还保持高功率因子。Bi₂Te_2.7Se_0.3-1.5 vol％InSb在300-425 K温度范围内的平均ZT为1.14，相比于前期文献报道值0.96（如图3(c))增大了15％。

　　该工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金以及固体所所长基金的支持。

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图1 (a) 热电发电(Seebeck效应)示意图，(b) 热电制冷(Peltier效应)示意图。

　　图2 复合体系Bi₂Te_2.7Se_0.3-f(InSb) (f = 0，1.0，1.5，2.0和2.5 vol%) 的 (a) 电阻率；(b) 热电势；(c) 载流子浓度；(d) 功率因子；(e) 热导率以及 (f) 晶格热导率随温度的变化关系。

　　图3 复合体系Bi₂Te_2.7Se_0.3-f(InSb) (f = 0，1.0，1.5，2.0和2.5 vol%) 的 (a) ZT值与温度对应关系曲线；该体系中 (b) 最高ZT值及 (c) 平均ZT值与文献报道值的对比关系图。