Science:熱電新里程！

DJF 1年前 (2022-07-22) 1325瀏覽

一、【導讀】

能量轉換和使用中的浪費是一個全球性問題，而熱電技術則提供了一種收集熱量并將其轉換為電能的可能性，但是面臨轉化效率低的問題。熱電材料的轉換效率主要與品質因數zT=S2σT/(ke+kL) 有關，其中S為塞貝克系數，σ為電導率，T為絕對溫度，ke為載波熱導率，kL為晶格熱導率。提高熱電性能的策略需要有序結構的高電子遷移能力和無序原子分布的低晶格熱導率，即 “電子晶體、聲子玻璃”[1]。最近提出的高熵策略提供一種同時具備穩定晶體結構和無序原子分布的成分范圍。然而根據安德森定域法則[2]，無序系統中電子的遷移可能受限。此外，對于低對稱材料，熵驅動結構穩定會增加其晶體對稱性，這也可能會增加聲子傳播。在高熵材料中，避免電子定域，同時獲得聲子固定分布是充滿挑戰的。

二、【成果掠影】

近日，南方科技大學的江彬彬副教授等人通過協調聲子和電子的狀態，將GeTe基高熵材料在750 K溫度下的品質因數提高到2.7，并且，制備的分段模塊在506 K溫差條件下獲得高達13.3%的實驗室轉換效率。通過提高熵，晶體對稱性的提高使得電子在斜方六面體結構中呈現非定域分布，導致能帶收斂，提高了電性能。相反，熵增引起的無序使得聲子呈現定域狀態，抑制了橫向聲子的傳播，這是非諧性提高的本質原因，大大降低了晶格熱導率。作者提供了通過熵的控制來協調聲子和電子狀態的范例，同時還證實了一條提升高熵熱電材料性能的途徑。

相關研究成果以“High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics”為題發表在Science上。

三、【數據概覽】

圖1 GeTe基熱電材料和模塊的高物理性能：(A) 高熵Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te樣品的熱電品質因數zT值與溫度的關系；(B) 本文制備的GeTe基熱電模塊的最大轉換效率ηmax與△T的關系 ? 2022 AAAS

圖2 高熵材料的形成：(A) 不同組成元素數量的GeTe基材料的XRD譜圖，藍色箭頭代表的是第二相，編號S1-S13的GeTe基材料的成分用化學式表示；(B-G) 高熵合金Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te的總體EDS分布圖和單個元素分布圖，(C) Ge、(D) Ag、(E) Sb、(F) Pb、(G) Te ? 2022 AAAS

圖3 GeTe基材料和模塊的熱電性能：(A) 功率因素PF、(B) 晶格熱導率kL 和(C) 品質因素zT與溫度的關系溫度的關系；(D) 本文材料的 zT值與文獻報道的材料對比；(E-F) 制備的11、7:3、8:3和9:3模塊與電流有關的參數，(E) 輸出電壓和輸出功率，(F) 轉化系數 ? 2022 AAAS

圖4 電子分布偏離：(A、B) GeTe合金和Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te高熵合金的SETM-HAADF圖，橙色菱形代表Te原子，紅色箭頭代表Ge原子偏離方向；(C) 幾何中心偏離值的示意圖；(D、E) GeTe合金和Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te高熵合金的電場分布；(F) 偏離值隨著熵增的變化；(G、H) GeTe合金和Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te高熵合金的電荷分布；(J、K) 通過密度泛函理論計算的定域和非定域電子分布示意圖，紅色實線代表短鍵，紅色虛線代表長鍵；(L) 通過調整偏離值得到的能帶收斂 ? 2022 AAAS

圖5 聲子的定域分布：(A、B) 在常規狀態和應變狀態下GeTe合金和Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te高熵合金中的分布，δ為均方根；(C) 拉曼光譜強度和半峰寬，左圖為GeTe，中間圖為Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te；(D) 測量得到的橫波和縱波聲速、計算得到的常溫下的Gruneisen參數(λ)和晶格熱導率(kL)，v0是測量的GeTe樣品的聲速 ? 2022 AAAS

四、【成果啟示】

高熵合金提高了GeTe基材料和模塊的熱電性能。通過增加混亂系統的熵，晶粒對稱性增加，電子分布高度非定域，因而保持了良好的電性能。混亂系統中聲子的定域分布強烈阻礙了橫聲子的傳播，這是產生強非諧性增強和低晶格熱導率的原因。文章證實了高熵合金中的電子非定域、聲子定域分布，這種策略為同時獲得電和熱傳輸性能提供以可能性。

文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq5815

 

注釋

[1] “電子晶體，聲子玻璃”：熱電材料性能的優化需要其導電性好，但導熱性盡量差，俗稱“電子晶體，聲子玻璃”。

[2] 安德森定域：當固體晶格的無序度達到一定程度時，電子只能局限在某一晶格附近，而不能在無需系統中自由移動。

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