Adv.Mater.:環保的熱電材料SnTe-通過能帶收斂和填隙缺陷優化性能有望取代p型PbTe

【引言】

由于能源危機及由此產生的環境問題，發展一種可靠的、環境友好的能源科技是人們現在厄待解決的問題。熱電材料，能夠直接把熱能轉化為電能，不需要排放溫室氣體或有害氣體，也不需要構造運轉部件，被認為是解決該問題的關鍵之一。PbTe是現在廣泛應用的熱電材料之一，但其有一個致命缺點-含有鉛元素，對環境不友好。與之類似的SnTe 熱電材料，被認為是一種十分理想的無鉛熱電材料，其可以很好地融入現有的PbTe 轉化器應用體系，但SnTe 熱電材料的性能不是很好，這嚴重阻礙了SnTe 熱電材料的應用，也是急需解決的一個問題。

【成果簡介】

近日，來自同濟大學裴艷中（通訊作者）等人成功研發出一種高性能的SnTe 熱電材料，其不含任何有害元素，zT峰值增長約300%，達到1.6。

收斂SnTe 熱電材料的價帶、引入電子共振狀態來提高SnTe 熱電材料的電性能，或者通過構造納米結構、引入填隙缺陷來降低SnTe 熱電材料的晶格熱導率，是現在提高SnTe材料熱電性能的主要方法。但是現在即使采取了以上方法，SnTe 熱電材料的峰值也沒有超過1.4的，而且往往需要引入Cd或者Hg等有害元素。他們采用同時引入MnTe (讓SnTe 熱電材料能帶收斂) 和 CuTe（Cu離子填隙于材料的晶格之中，形成填隙缺陷）方法，讓SnTe 熱電材料的zT峰值增長三倍，兩種方法各能讓熱電材料的zT峰值增長1.5倍。

他們的工作大大促進了SnTe 熱電材料發展，為SnTe 熱電材料性能進一步提升創造了可能，讓其向應用方向邁進了一大步。

【圖文導讀】

圖1? SnTe熱電材料zT值與溫度的關系并與已知材料進行對比

（a）高zT值的SnTe 熱電材料。

（b）其他體系熱電材料除了IV-VI 半導體。

圖2? SnTe 熱電材料結構與形貌的表征

（a）Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)_x的XRD圖譜。

（b）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05的XRD圖譜。

（c,d）Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)_x的SEM圖。

（e,d）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05的SEM圖。

Cu₂Te作為第二相被觀測到而大部分MnTe被溶解。

圖3 ?Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05的TEM表征和Cu元素的EDS表征

（a,c,e）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05不同溫度下透射電鏡圖。

（b,d,f）相應的銅元素EDS圖。

圖4? SnTe熱電材料霍爾系數和霍爾遷移率與溫度關系

（a）Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料的規范化的霍爾系數(R_H/R_H,300)與溫度的關系曲線。

（b）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05熱電材料的規范化的霍爾系數(R_H/R_H,300)與溫度的關系曲線。

（c）Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料的霍爾遷移率與溫度的關系曲線。

（d）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05熱電材料的霍爾遷移率與溫度的關系曲線。

顯示載流子的散射主要受聲子的影響。

圖5? 不同溫度條件下SnTe熱電材料西貝克系數、霍爾遷移率與霍爾載流子濃度的關系

（a）300K溫度條件下，Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05和Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料西貝克系數與載流子濃度之間的關系曲線，并與其他人的理論模型和實驗結果進行對比。

（b）723K溫度條件下，Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05和Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料西貝克系數與載流子濃度之間的關系曲線，并與其他人的理論模型和實驗結果進行對比。

（c）300K溫度條件下，Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05和Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料霍爾遷移率與載流子濃度之間的關系曲線，并與其他人的理論模型和實驗結果進行對比。

（d）723K溫度條件下，Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05和Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料霍爾遷移率與載流子濃度之間的關系曲線，并與其他人的理論模型和實驗結果進行對比。

圖6 ?錫過量與非過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料西貝克系數、電阻率、總的熱導率和晶格熱導率zT值與溫度的關系

（a）錫過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料（n_H < 2 × 10²⁰ cm^?3)和錫不過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料（n_H > 3 × 10²⁰ cm^?3)西貝克系數與溫度的關系曲線。

（b）錫過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料（n_H < 2 × 10²⁰ cm^?3)和錫不過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料（n_H > 3 × 10²⁰ cm^?3)電阻率與溫度的關系曲線。

（a）錫過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料（n_H < 2 × 10²⁰ cm^?3)和錫不過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料（n_H > 3 × 10²⁰ cm^?3)總的熱導率和晶格熱導率與溫度的關系曲線。

（a）錫過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料（n_H < 2 × 10²⁰ cm^?3)和錫不過量的Sn_0.86Mn_0.14Te(Cu₂Te)x熱電材料（n_H > 3 × 10²⁰ cm^?3)zT值與溫度的關系曲線。

圖7? Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05熱電材料西貝克系數、電阻率、總的熱導率和晶格熱導率zT值與溫度的關系

（a）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05熱電材料西貝克系數與溫度的關系曲線。

（b）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05熱電材料電阻率與溫度的關系曲線。

（c）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05熱電材料總的熱導率和晶格熱導率與溫度的關系曲線。

（d）Sn_1.03?yMn_yTe(Cu₂Te)_0.05熱電材料zT值與溫度的關系曲線。

【小結】

他們將收斂能帶和利用填隙缺陷以擴大聲子散射兩種方法相結合，成功制備出具有創記錄的zT峰值的SnTe熱電材料，其zT峰值峰值高達1.6。他們的方法不僅可以應用于SnTe熱電材料中，還應該能推廣應用于其他材料。這種高性能不含有害元素的SnTe熱電材料被研發出來，大大加速SnTe熱電材料的應用進展，有望取代PbTe熱電材料。

文獻鏈接：Promoting SnTe as an Eco-Friendly Solution for p-PbTe Thermoelectric via Band Convergence and Interstitial Defects（Advanced Materials,2017, DOI/10.1002/adma.20160587/full）

本文由材料人電子電工學術組一棵松供稿，材料牛整理編輯。

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