Acta Mater.: 載流子調諧/聲子工程協同效應助力材料高熱電性能

【引言】

Bi-Te基材料在近室溫熱電領域中應用廣泛，其具有較低的帶隙。但在高溫下，其雙極效應顯著增加，進而降低塞貝克系數(S)并導致較小的ZT值。為了降低雙極效應，需要對塊體材料進行載流子調制，可通過摻雜或引入載流子濾波效應來實現。載流子濾波效應是指低能電荷載流子的選擇性濾波和增加主載流子的平均能量，使得載流子濃度相同的情況下塞貝克系數更高。盡管載流子濾波能在寬溫程內有效增強塞貝克系數，但是在界面處選擇最優材料以獲得理想的載流子濾波以及確保納米級(<50nm)過濾位點在本體內的良好分散的制造工藝仍具有一定挑戰。此外，降低雙極效應的另一種方法是增加載流子濃度，可通過摻雜Cu或Pb來實現。

【成果簡介】

近日，韓國陶瓷工程與技術研究所Weon Ho Shin研究員和首爾市立大學Sang-il Kim教授(共同通訊作者)等采用熔融紡絲(MS)和放電等離子體燒結(SPS)工藝制備了Cu摻雜Bi-Te基材料，研究了其增強熱電性能，并在Acta Mater.上發表了題為“High Thermoelectric Performance of Melt-spun Cu_xBi_0.5Sb_1.5Te₃ by Synergetic Effect of Carrier Tuning and Phonon Engineering”的研究論文。研究發現，改變摻雜量可以調節熱電性能的溫度依賴性，其中最大ZT溫度可以從室溫升至450K。2% Cu摻雜的Bi_0.5Sb_1.5Te₃在400K時達到最高ZT值1.34，應歸因于功率因子的增強和晶格熱導率的降低。此外，對于2% Cu摻雜的Bi0.5Sb1.5Te3，室溫和530K之間的平均ZT值為1.17，比原始Bi_0.5Sb_1.5Te₃高46%。因此，熔融紡絲工藝和銅摻雜的協同效應有望拓寬Bi-Te基熱電材料在中溫發電方面的應用。

【圖文簡介】
圖1 Cu_xBST材料的結構及其形貌表征

a-d) MS法制備的Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的SEM圖像；
e) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的XRD譜圖；
f-i) SPS處理后的Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的SEM圖像。

圖2 Cu_xBST材料的載流子傳輸性能

a) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的電導率，插圖為電導率隨T^-1.5的變化；
b) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的空穴載流子濃度；
c) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的遷移率；
d) 在室溫下，Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的載流子濃度和遷移率隨銅含量的變化。

圖3 Cu_xBST材料的熱電性能提升機理分析

a) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的塞貝克系數；
b) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的功率因子；
c) 室溫下Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的Pisarenko點圖；
d) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的變形電位。

圖4 Cu_xBST材料的熱電性能

a) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的總熱導；
b) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料雙極熱導和晶格熱導的總和；
c) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料的ZT值；
d) Cu_xBST(x=0,0.01,0.02,0.04)材料在室溫和523K之間的平均ZT值。

【小結】

綜上所述，作者通過MS和SPS工藝制備了改性Cu_xBST材料，并對其增強熱電性能進行了研究。通過改變摻雜Cu的量，變形電位逐漸降低，載流子濃度逐漸增加，電荷傳輸隨之得到改善。此外，作者通過雙極抑制和點缺陷散射實現了熱傳輸調制。與傳統熔融方法得到樣品相比，MS處理的樣品由于晶界散射的增加而表現出PF和低導熱率的顯著改善。結果，在溫度范圍為室溫至450K的MS Cu_0.02BST的平均ZT值比原始MS BST高46%，在400K時達到1.34的最大ZT值。該研究提供了一種簡便的方法，不僅可以增加最大ZT值，還可以增加平均ZT值，非常有利于中溫熱電應用。

文獻鏈接： High Thermoelectric Performance of Melt-spun Cu_xBi_0.5Sb_1.5Te₃ by Synergetic Effect of Carrier Tuning and Phonon Engineering?(Acta Mater., 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.07.067)

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