澳大利亞南昆士蘭大學陳志剛教授和昆士蘭大學鄒進教授課題組JACS: 探究Seebeck系數的黃金范圍以指導熱電材料的性能優化設計

【引言】

熱電參數間的相互耦合從本質上決定了優化費米能級是提升熱電性能的先決條件。通常，載流子濃度用于間接反映費米能級的變化。但是，載流子濃度還強烈依賴于材料的有效質量和溫度，導致不同材料的最優載流子濃度差異很大。在該成果中，研究者們首先分析了大量不同材料體系的熱電性能，統計結果表明報道中最大的功率因子(PF)和熱電優值(zT)總對應較小范圍的Seebeck。利用系統性的模擬分析，研究者們建立了優化后的熱電性能和Seebeck系數的對應關系，即在某溫度下當測量Seebeck達到203-230 μVK^-1范圍，必對應該溫度下最優zT值。該發現可普遍應用于塊體半導體熱電材料，因此可稱為Seebeck黃金范圍。利用這項理論成果，以n型PbSe基材料為例，研究者成功提升其熱電性能。

【成果簡介】

研究者們首先分析了超過100種不同熱電材料體系的性能，發現報道的最大功率因子和熱電優值都對應較小范圍的Seebeck。受此啟發，研究者們試圖建立一種Seebeck范圍，可普遍適用于半導體塊體熱電材料，來判斷（從優化費米能級角度）熱電性能是否最大化。模擬分析指出，影響功率因子對應的最優約化費米能級的因素是約化禁帶寬度；影響熱電優值對應的最優約化費米能級的因素包括禁帶寬度、電導率權重、晶格熱導率。當這些影響因素在一個足夠寬的范圍內（包含絕大多數熱電材料體系）變化，系統性模擬分析表明，最大化的最大功率因子和熱電優值分別對應Seebeck在195-202和203-230 μVK^-1范圍。存在這種關聯性的本質原因是a)最大化的功率因子和熱電優值對應的約化費米能級位于價帶或導帶的邊緣附近，并在很小范圍內變化；b)在費米能級優化的情況下（雙極性效應可忽略），Seebeck是關于約化費米能級的單調函數。得到的Seebeck范圍可普遍適用于半導體熱電材料，其中的自由載流子分布由Fermi-Dirac函數描述，載流子的傳輸可由玻爾茲曼方程描述。

相關的研究成果以題為“Establishing the Golden Range of Seebeck Coefficient for Maximizing Thermoelectric Performance”發表在Journal of the American Chemical Society雜志上。論文第一作者是南昆士蘭大學洪敏博士(ARC DECRA Fellow)，通訊作者是南昆士蘭大學陳志剛教授和昆士蘭大學鄒進教授。

【圖文導讀】

Figure 1對報道的熱電性能優化及對應的Seebeck系數的統計分析。

(a)優化的功率因子對應的Seebeck范圍；(b)優化的熱電優值對應的Seebeck范圍；(c) Seebeck關于約化費米能級的計算曲線，利用雙能帶模型，不同的曲線對應不同的約化禁帶寬度；(d)圖(c)的放大視圖，其中的插圖是Seebeck關于約化禁帶寬度的計算曲線，不同的曲線對應不同的約化費米能級。

Figure 2最優約化費米能級的影響因素。

(a)歸一化的功率因子和(b)歸一化的zT關于約化禁帶寬度和約化費米能級的三維等高線圖；(c)歸一化的功率因此關于電導率權重和約化費米能級的三維等高線圖；(d)歸一化的zT關于晶格熱導率和約化費米能級的三維等高線圖。

Figure 3研究最優費米能級和對應的Seebeck范圍。

(a)最優費米能級關于約化禁帶寬度的曲線，(b)對應的Seebeck關于約化禁帶寬度的曲線。粉紅色的曲線對應功率因子，其余曲線對應zT。

Figure 4電鏡表征合成的n型PbSe基材料的微觀結構。

Figure 5測量的熱導率及晶格熱導率分析。

Figure 6測量的功率因子和zT值。

Figure 7計算的能帶結構。

Figure 8從約化費米能級角度分析實驗數據，反應Seebeck和最優熱電性能之間的關系。

Figure 9基于雙能帶模型計算的曲線和測量值的比較。

Figure 10從霍爾載流子濃度角度分析測量的熱電性能。

【小結】

研究者們發現最優的熱電性能總是對應一個較小范圍的Seebeck，該理論發現也被實驗證實。值得說明的是，優化的熱電性能對應的Seebeck只會在此范圍內波動，不會非常大，進一步提升熱電性能，需從提升載流子遷移率和降低晶格熱導率兩個方面進行。該研究成果，可用于快速判斷半導體塊體熱電材料的費米能級是否得到優化；還可為塊體熱電器件的工業生產提供一種基于經驗的熱電性能診斷方法。

【論文鏈接】

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b13272

【作者簡介】

陳志剛教授簡介：

陳志剛教授是澳大利亞南昆士蘭大學能源學科講席教授（Professor in Energy Materials），昆士蘭大學榮譽教授，南昆士蘭大學功能材料學科帶頭人。長期從事功能材料在能量轉化的基礎和應用研究。師從成會明院士和逯高清院士。2008年博士畢業后即成功申請到“澳大利亞研究理事會博士后研究員”職位，前往澳大利亞昆士蘭大學機械與礦業學院工作，先后擔任研究員，高級研究員，榮譽副教授，榮譽教授，后轉入澳大利亞南昆士蘭大學擔任功能材料學科帶頭人,副教授(2016),教授（2018-），先后主持共計七百萬澳元的科研項目，其中包括6項澳大利亞研究委員會、1項澳大利亞科學院、2項州政府、10項工業項目和10項校級的科研項目。在南昆士蘭大學和昆士蘭大學工作期間，共指導17名博士生和3名碩士研究生，其中已畢業博士生7名和碩士生4名。在Nat. Nanotech.、 Nat. Commun.、 Prog. Mater. Sci.、 Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Edit. 、Nano Lett.、Energy Environ. Sci.、ACS Nano、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、和Nano Energy等國際學術期刊上發表230余篇學術論文。這些論文共被SCI引用12100余次，H-index達到56。

鄒進教授簡介：

鄒進教授現任澳大利亞昆士蘭大學的納米科學講席教授（Chair in Nanoscience），曾任澳大利亞電子顯微學會秘書長，及澳大利亞昆士蘭華人工程師與科學家協會副會長。鄒進教授目前的研究方向包括：半導體納米結構（量子點，納米線，納米帶，超簿納米片）的形成機理及其物理性能的研究；先進功能納米材料的形成及其高端應用，尤其在能源，環保和醫療中的應用；固體材料的界面研究。鄒進教授在 ISI （Web of Science）刊物上已發表學術論文 650 多篇，其多數論文發表在國際知名刊物上并被引用 30,000次， H-index達到70。鄒進教授目前承擔多項澳大利亞研究理事會的研究課題。

洪敏博士(ARC DECRA fellow)目前在澳大利亞南昆士蘭大學從事博士后研究工作，合作導師是陳志剛教授。2010年本科畢業于中南大學機電工程學院，隨后保送本校碩士研究生從事人工智能控制算法的研究。2016年博士畢業于澳大利亞昆士蘭大學，博士論文被評為昆士蘭大學Dean's Award for Outstanding Higher Degree by Research Theses。之后在昆士蘭大學以及南昆士蘭大學從事博士后研究。主要研究方向包括：電子聲子輸運的理論研究，第一性原理計算，微觀結構電鏡表征，儲能納米材料開發，高性能熱電材料與器件研發。至今以第一作者身份，在Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society, ACS Nano, Advanced Energy Materials, Nano Energy, Physical Review B, Journal of Materials Chemistry A, Nanoscale等高水平期刊發表論文15篇，其中SCI高被引論文2篇。