日本豐田工業大學Nat. Commun.: 在金屬Cu2Se中發現巨大的塞貝克效應


引言

在過去的幾十年中,熱電材料(TE)因為能夠將廢熱轉化為有用的電能,而得到了系統和全面的研究。熱電材料的能量轉化效率ZT=S2σT/κ,其中S,σ,T和κ分別代表塞貝克系數,電導率,絕對溫度和熱導率。到目前為止,已經發現和開發了多種熱電材料,其中一些具有較高的ZT值,但由于整體性能不足,并不能廣泛用于各種應用。

有史以來報導的ZT的最大值是在單晶SnSe3中發現的ZT=2.6。然而最大ZT所對應的溫度為900K,其他方法在這個溫度下會具有更高的能量轉換效率。在300~400K的中低溫范圍內,大量的廢熱被排放到周圍環境中,目前還沒有任何有效的方法可以產生電能,因此,熱電材料的開發十分必要。到目前為止,基于Bi2Te3的材料在該溫度范圍內具有最佳性能,其ZT值高達2.08。然而,這些ZT值仍然存在爭議。

所有這些材料都具有非常小的晶格熱導率小于1.0W/m/K以及較大的功率因數PF=S2σ,其與適合于熱電材料的電子結構和最佳載流子濃度密切相關。S和σ都是與載流子濃度相關的函數:前者隨著載流子濃度的減少而增加,而后者隨載流子濃度的減少而減少。因此,科研工作者研究了許多材料的最佳載流子濃度,并且實現了幾百μV/K的塞貝克系數,幾個mΩ cm的電阻率,以及幾個mW/m/K2的功率因數。

成果簡介

近日,日本豐田工業大學發現 “金屬”Cu2Se在340-400 K溫度范圍內具有巨大的塞貝克系數,其中材料內發生有序-無序結構轉變,具有超過2.3W/m/K2的功率因數值。這個數值是在不尋常的溫度梯度下觀察到的,該溫度梯度不僅適用于與塞貝克測量方向平行的方向,同時也適用于垂直的方向。在非常小的晶格熱導率(小于1.8W/m/K)的支持下,ZT值超過450。這些巨大的S,PF和ZT值是在低溫階段獲得的,這是由于持續高溫所引起的自調整載流子濃度的結果。該成果以題為”Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu2Se”發表在Nat. Commun.

【圖文導讀】

Figure 1.Cu2Se的結構分析?

(a,b).室溫和473K下,同步輻射粉末衍射圖案

(c).Cu2Se在高溫和低溫下的晶體結構

(d).相分數隨溫度的變化

Figure 2.Cu2Se的塞貝克系數

(a).塞貝克實驗裝置

(b).實驗所測得的塞貝克系數

(c).熱電動勢的原始數據

Figure 3.Cu2Se中塞貝克系數的重現性

4.Cu2Se熱電性質的溫度依賴

(a).電阻率

(b).功率因數

(c).導熱率

(d).比熱和熱擴散率

(e).ZT值

(f).ZT溫度依賴性異常行為區域顯示兩個峰值

(g).ZT溫度依賴性中所觀察到平臺區

5.簡化Cu2Se的計算電子態密度和塞貝克系數?

(a).電子密度

(b).區域放大

(c).計算的塞貝克系數隨化學勢能的變化

【小結】

在這個工作中,作者發現在同時施加于平行和垂直測量方向的溫度梯度下,金屬Cu2Se在發生結構相變的較窄溫度范圍內(340K<T<400K)顯示出兩個信號反轉和超過±2mV/K的巨大S值。具有超過600 S cm-1的較大幅度的σ的金屬行為導致S2σ=2.3W/m/K2的巨大值。小于2W/m/K的小熱導率導致ZT值超過400。

Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu2Se

(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07877-5)

本文由材料人學術組gaxy供稿,材料牛整理編輯。?

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