Energy & Environmental Science: Zn在提高Ga摻雜n型PbTe熱電性能中的非凡作用

近日，羅中箴教授與合作者在高性能n型PbTe熱電材料研究方面取得重要進展。熱電轉換技術可以實現熱能和電能的直接相互轉換，在廢熱回收利用和微電子器件制冷等領域具有廣泛的應用前景。

化石燃料在使用過程中，約有三分之二的能量以廢熱的形式被排放到環境中，不僅能源的利用率低，且造成了嚴重的環境污染和大量CO₂排放問題。如果對這部分廢熱進行回收利用，將能夠有效提高能源利用效率，進而緩解環境污染，并減少CO₂排放量。熱電轉換技術是實現上述目的的關鍵。熱電器件的性能主要是由熱電材料無量綱的熱電優值ZT決定。熱電材料為了獲得高ZT，須同時具有高電導率、大Seebeck系數以及低熱導率。然而，由于這些參數相互耦合、相互影響，使得ZT值的提高異常艱難。因此，如何提高材料ZT，尤其是整個服役區間的平均熱電優值(ZT_avg)是一個巨大的挑戰。

碲化鉛(PbTe)是一種典型的中溫區熱電材料。p型PbTe的性能優異，ZT_avg值在400?923 K區間可達1.7，而n型PbTe的ZT_avg約為1。對于熱電器件的制備，需要性能相匹配的p型和n型材料。如何有效的提高n型PbTe的熱電性能對熱電器件的應用尤為重要。為此，福州大學羅中箴教授、新加坡南洋理工大學顏清宇教授和美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis教授及合作者，近期在n型PbTe材料中實現了熱電性能的新突破。所研制的n型材料在400?873 K溫度區間ZT_avg高達到1.26，是n型PbTe熱電材料目前報道的最高值。

該研究主要是在Ga摻雜的n型PbTe中合金化較低溶解度的Zn。其中，Zn原子的主要作用如下：(1)?誘導納米Ga₂Te₃第二相的析出，在基體中產生Te空位。該空位極大的提高了n型PbTe的載流子濃度和電導率，獲得高電輸運性能。(2)?偏心Zn原子合金化為Ga原子創造了寬松的原子配位環境，使其產生低頻光學聲子振動，有效軟化了聲子振動模，降低晶格熱導率。(3) 誘導析出的共格納米相Ga₂Te₃在阻礙聲子傳播的同時，維持了載流子較高的遷移率。最終實現電輸運性能和熱導率的同時優化，提高了n型PbTe的熱電優值，特別是平均熱電優值。

【圖文導讀】

圖1. 不同含量Zn對載流子濃度(a)和電導率(b)的影響。與Pb等價態的Zn合金化，誘導生成Ga₂Te₃第二相，產生大量Te空位，極大的提高了Ga摻雜n型PbTe載流子濃度和電導率。

圖2. 偏心且半徑較小的Zn原子為Ga創造了寬松的原子配位環境，產生低頻光學聲子，軟化了聲子振動模(a)。與常見的低濃度合金化PbTe基熱電體系相比，Zn合金化的Ga摻雜n型PbTe具有較低晶格熱導率(b)。

圖3. 晶體結構和微觀結構，偏心Zn合金化在PbTe基體中析出共格Ga₂Te₃納米相，并伴隨大量Te空位的形成，極大的提高了Ga摻雜n型PbTe載流子濃度和電導率(a)。與其他性能較優的n型PbTe熱電材料的相比較，有效提高了ZT_avg(b)。

【論文地址】

相關研究成果發表在Energy & Environmental Science?(DOI:?10.1039/D1EE02986J)上。福州大學材料學院羅中箴教授為該論文第一作者，論文得到了鄒志剛院士、新加坡南洋理工大學顏清宇教授和美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis教授的指導。文獻鏈接：https://doi.org/10.1039/D1EE02986J。