南京理工大學ACS Nano：提升電子態密度在In、Ge摻雜SnSe納米片中獲得高寬溫域熱電性能

kongxy 9個月前 (01-10) 977瀏覽

【導讀】

熱電材料可以實現熱能與電能間的直接相互轉換，是一種極具發展潛力的清潔能源材料。中溫熱電材料使用溫度處于工業廢熱范圍，采用熱電轉換技術回收工業廢熱發電，將產生巨大的經濟和社會效益。SnSe是極具發展潛力的中高溫熱電材料體系之一，相比于SnSe單晶，多晶SnSe具有制備工藝簡單，生產成本低，機械性能穩定等突出優點，具有廣闊應用前景。然而受限于低電導率和高熱導率，多晶SnSe的寬溫域熱電性能并不理想，限制了多晶SnSe的規模應用。

 

【成果掠影】

南京理工大學唐國棟教授等采用低溫溶液合成法設計得到Ge、In雙摻雜SnSe納米片。通過設計納米片結構，調控材料的聲子輸運過程，大幅降低了材料的熱導率，研究發現納米片形成的納米晶界以及位錯和層錯導致了顯著的晶格應變，形成了強的聲子散射中心，從而使晶格熱導率顯著降低，在873 K時獲得了0.19 Wm-1K-1的超低晶格熱導率。Ge、In雙摻雜較大提升了SnSe材料的電子態密度，有效提升了塞貝克系數，同時，Ge和In雙摻雜顯著提高了載流子濃度和電導率，使多晶SnSe在寬溫度范圍內獲得了高功率因子。這種電聲協同效應將SnSe多晶的最高熱電優值提升至1.92，并顯著提升了其寬溫域熱電性能，平均熱電優值達到0.88，寬溫域熱電性能的提升有效提高了材料熱電轉換效率。該研究通過無毒元素摻雜將多晶SnSe寬溫域性能提升到新的水平，對推動多晶SnSe熱電材料在高效固態熱電發電器件中的廣泛應用具有重要意義。

相關研究成果以題為“Enhanced Density of States Facilitates High Thermoelectric Performance in Solution-Grown Ge and In codoped SnSe Nanoplates”發表在知名期刊ACS Nano上。

 

 

【核心創新點】

  1. 設計了簡便、高效、低成本的溶液合成方法成功制備SnSe納米片，利用納米邊界、晶格應變有效抑制晶格熱導率。
  2. 利用Ge、In雙摻雜提升SnSe材料的電子態密度，優化全溫域塞貝克系數和功率因子。
  3. 通過無毒元素Ge、In摻雜在多晶SnSe材料中獲得了高寬溫域熱電性能，其在423-873K溫區平均熱電優值達到88。

 

【數據概覽】

圖1 ?（a）SnSe的SEM圖，（b-d）Sn1-2xGexInxSe納米片的SEM圖。

溶液合成法生成了Ge、In雙摻雜SnSe納米片，研究發現通過引入Ge和In明顯降低了晶粒尺寸，生成了50-100nm的納米片。

圖2 ?Sn1-2xGexInxSe納米片的（a）總熱導率（kT），（b）kT與相關報道對比，（c）晶格熱導率（kL），（d）kL與相關報道對比。

Sn1-2xGexInxSe納米片的熱導率隨著Ge和In摻雜量的增加而降低，在873 K時獲得了0.19 Wm-1K-1的超低晶格熱導率。

圖3 ?Sn0.96Ge0.02In0.02Se納米片的微觀結構表征（a）具有大量位錯和堆疊層錯的STEM圖像，（b）圖a中紅色放大區域，（c）圖b對應的應變映射，（d）圖a中藍色放大區域，（e）圖d的快速傅里葉變換(IFFT)圖像，（f）圖d對應的應變映射。

微結構表征顯示，樣品基體中存在大量位錯和堆疊層錯，導致晶格應變，形成強聲子散射中心，增強聲子散射，降低晶格熱導率。同時，納米片形成的納米晶界可進一步散射聲子，使樣品獲得超低晶格熱導率。

圖4 ?Sn1-2xGexInxSe納米片的（a）電導率，（b）載流子濃度和遷移率，（c）賽貝克系數，（d）賽貝克系數與相關報道的比較，（e）賽貝克系數與載流子濃度依賴性，（f）功率因子

Ge和In雙摻雜優化了樣品載流子濃度，提高了材料的電導率，同時其賽貝克系數處于較高水平。紫外光電子能譜測試表明，Ge、In雙摻雜提升SnSe材料的電子態密度，使得材料寬溫域塞貝克系數和功率因子得到大幅提升。

圖5 ?Sn0.96Ge0.02In0.02Se納米片的（a）熱電優值（ZT），（b）ZT與有關報道的比較，（c）平均ZT，（d）理論能量轉換效率

在Ge、In摻雜的SnSe納米片中，獲得1.9的峰值ZT的同時，將平均ZT從0.35提升至0.88，增大了151%。

 

【成果啟示】

綜上所述，該工作在溶液生長的SnSe納米片中實現了0.88的高平均ZT，峰值ZT達到1.92。通過設計納米片結構，利用納米晶界和晶格應變有效散射聲子，顯著降低了晶格熱導率。同時，利用Ge和In摻雜提升了SnSe電子結構的電子態密度，使材料保持了大的塞貝克系數。Ge和In摻雜不僅優化了Seebeck系數，而且顯著提高了載流子濃度和電導率，有助于在寬溫度范圍內保持高功率因數。最終，這些協同效應使In、Ge摻雜SnSe納米片獲得了高寬溫域熱電性能，有助于拓展材料的應用。

 

論文信息

Enhanced Density of States Facilitates High Thermoelectric Performance in Solution-Grown Ge and In codoped SnSe Nanoplates

Yaru Gong, Shihua Zhang, Yunxiang Hou, Shuang Li, Chong Wang, Wenjie Xiong, Qingtang Zhang, Xuefei Miao, Jizi Liu, Yang Cao, Di Li, Guang Chen,* Guodong Tang

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11095

DOI：10.1021/acsnano.2c11095

 

本文由作者供稿

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