李敬鋒課題組Nat.Commun.：具有高平均及峰值zT的寬溫域n型Mg3(Sb,Bi)2基熱電材料

鋼鐵俠 2個月前 (11-20) 942瀏覽

據清華新聞網報道，清華大學材料學院李敬鋒教授課題組致力于元素豐度高的環境友好型新型熱電材料的研發，圍繞銻化鎂（Mg₃Sb₂）基熱電材料取得系列進展，在前期工作的基礎上，近期研究發現，在Mg₃Sb₂晶界上嵌入某些（Nb和Ta）高導電金屬納米相，可有效降低界面勢壘，增強近室溫的電輸運性能，實現了熱電優值（ZT值）的峰值和平均值的同時提升。研究采用機械合金化結合放電等離子體燒結工藝制備了多晶Mg₃Sb₂，發現Nb與Ta能以納米級金屬單質形式嵌于晶界處，且Nb單質與基體間會形成少量非均質Nb₃Sb相。這些納米級金屬夾雜物與非均質相皆具有高于晶界的電導率，有效降低了晶界處的界面勢壘，減弱了載流子所受的晶界散射，增加了高能載流子對電輸運性能的貢獻，大幅提升了近室溫區的功率因子。同時，納米級的金屬顆粒會對聲子產生散射作用，有效降低晶格熱導率。通過電聲輸運的協同調控，整個測試溫度范圍內的熱電性能均得到大幅提升。最終，在Nb復合的n型Mg₃(Sb,Bi)₂材料中，zT值在300 K和798 K時分別提升至0.80和2.04，為目前已報道的最高值，由此制備的單臂器件熱電能量轉換效率在T=470 K時可達15%，在寬溫域內顯現出優異的應用潛力。本工作提出了一種通過納米復合策略改良Mg₃(Sb,Bi)₂基熱電材料晶界特性的新思路，拓寬了Mg₃(Sb,Bi)₂基熱電材料的應用前景。相關研究成果以“具有高平均及峰值zT的寬溫域n型Mg₃(Sb,Bi)₂基熱電材料”（Wide-temperature-range thermoelectric n-type Mg₃(Sb,Bi)_2?with high average and peakzT?values）為題，于近日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。材料學院2019級博士生李靜薇為論文第一作者，清華大學李敬鋒教授、莊華鷺博士后為論文通訊作者，論文的其他重要合作者包括南方科技大學劉瑋書教授和國家納米科學中心鄭強研究員等。