Adv. Mater.：利用能帶收斂與晶格位錯提高PbTe熱電性能

【引言】

熱電材料的熱電性能用熱電優值zT衡量，zT = S²σ T/(κ_Ε?+?κ_L)，其中的Seebeck系數S、電導率σ、電子熱導率κ_Ε具有強烈的耦合作用，因此很難通過改善單一性能來提高zT值。通過能帶工程對這三個參數去耦合作用已經在IV-VI族半導體和其他一些材料中成功應用，可以增加導電通道來提高電導率而不改變Seebeck系數；或是可以通過最小化獨立參量晶格熱導率κ_L來提高zT值，如引入點缺陷、納米結構、高密度位錯等。

【成果簡介】

近日，同濟大學裴艷中教授（通訊作者）課題組利用能帶工程將新合金EuTe的熱電優值增大到1.7左右，然后增加Na的含量發現位錯密度增加，再繼續增加Na含量時位錯密度逐漸減少而出現納米沉淀物，材料中的主要微觀缺陷從點缺陷轉為高密度位錯再轉為納米沉淀物，這個轉變過程得到多種缺陷類型從而引入多種散射機制，降低晶格熱導率至0.4 W m^?1?K^?1以下（已經接近于非晶體材料的晶格熱導率極限），提高zT至2.2，這個研究成果提供了一種新的可能性即可以利用位錯工程來提高材料的熱電性能。

【圖文導讀】

圖1. 能帶工程

a) Pb₂₇Te₂₇和EuPb₂₆Te₂₇能帶結構圖

b) 室溫下Na_xPb_1?xTe和Na_yEu₀₃Pb_0.97Te的光吸收系數

c) PbTe:Na與Mn₀₃Pb_0.97Te:Na、Yb_0.01Pb_0.99Te:Na、Eu_xPb_1?xTe:Na室溫Seebeck 系數(S)對霍爾載流子濃度(nH)關系對比圖

d)不同缺陷構型的Pb₃₀EuNaTe₃₂中總能量計算值與Na-Eu間距的函數關系圖

圖2. ZT曲線圖

a) Na₀₂Eu_xPb_0.98?xTe的ZT曲線圖

b) Na_yEu₀₃Pb_0.97?yTe的ZT曲線圖.

利用能帶工程得到ZT_峰值≈1.7利用位錯工程使ZT進一步增大到約2.2

圖3. NayEu_0.03Pb_0.97?yTe微結構

a) 無明顯位錯 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

b) y = 0.02的樣品的納米沉淀物

c) y = 0.025的樣品的納米沉淀物，初步觀察到位錯

d) y = 0.025的樣品的納米沉淀物密度增加

e)y = 0.03的樣品較低位錯的圖像

f)y = 0.03的樣品較高位錯的圖像

g) 位錯放大圖

h)納米沉淀物放大圖

圖4. 位錯密度的確定

a) X射線衍射圖譜

b) 修正Williamson–Hall圖法進行峰寬化分析

圖5. 晶格熱導率

a) 850K時NayEu₀₃Pb_0.97?yTe的晶格熱導率與y的關系曲線圖，黑色圓圈代表本研究實驗結果，綠色圓圈代表文獻結果，曲線為不同聲子散射類型的基于德拜近似的預測曲線，可以看出位錯對晶格熱導率的降低作用最大

b) Na₀₂₅Eu_0.03Pb_0.945Te不同聲子散射機制（包括正規過程和倒逆過程）造成的累積晶格熱導率減少量與聲子頻率關系圖

【小結】

本研究用能帶工程收斂了EuTe的第一價帶和第二價帶，增加了PbTe的帶隙寬度，將zT提高到1.7，然后通過調節Na_γEu_0.03Pb_0.97?γTe中Na的含量，使主要微觀缺陷發生點缺陷-高密度位錯-納米沉淀物的轉變。得到在γ=0.025時，晶格熱導率最小，此時zT≈2.2，充分證明了位錯工程在提高材料熱電性能方面具有有效作用。

文獻鏈接：Lattice Dislocations Enhancing Thermoelectric PbTe in Addition to Band Convergence（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606768）

本文由材料人編輯部電子電工學術組zzzlx整理編譯。

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