JACS：通過能帶剪裁和引入原子尺度缺陷協同優化(Na,K)共摻雜多晶SnSe的熱電性能
【引言】
熱電材料研究領域通常通過提高功率因子和降低熱導率來提高熱電性能，功率因子可以通過能帶工程優化，熱導率可以通過引入全尺度聲子散射機制降低。SnSe熱電材料以其元素地儲豐富、低毒性和潛在的高熱電性能而引起了廣泛的關注。堿元素、Ag、I、Br、BiCl3是目前有效提高多晶SnSe材料熱電性能的摻雜劑。摻雜Na可以顯著提高p型多晶SnSe材料的熱電性能，主要是因為降低了費米能級得到多重價帶同時引入點缺陷和納米沉淀物增強聲子散射。考慮到Na在SnSe中的有效固溶度，調整載流子濃度的空間受到局限。基于此考慮，利用原子尺寸效應，通過引入比Na略大的摻雜元素K后成功促進了Na在SnSe中的固溶，提高了載流子濃度，激活了更多的價帶參與電荷傳輸，在773K時最大ZT可達1.1。
【成果簡介】
最近，北航的趙立東教授、昆明理工大學的馮晶教授和德國于利希電鏡中心的鄭風珊博士（共同通訊作者）等人于JACS上發表了文章“Boosting the Thermoelectric Performance of (Na,K)-Codoped Polycrystalline SnSe by Synergistic Tailoring of the Band Structure and Atomic-Scale Defect Phonon Scattering”，本文第一作者為昆明理工大學（第一完成單位）的葛振華教授。研究者通過（Na, K）共摻雜進行能帶結構的“剪裁”和引入原子尺度缺陷聲子散射機制，成功得到高熱電性能的p型多晶SnSe材料，功率因子最大可達492 μW m?1 K?2，晶格熱導率在773K時降低至0.29Wm?1 K?1，1%（Na,K）共摻雜樣品ZT值可達1.2。該研究為提高多晶SnSe材料熱電性能提供了一種新的協同摻雜方法，并且也適用于其他熱電材料體系。
【圖文導讀】
圖1 結構表征
（a）沿[010]觀察到的SnSe的高分辨率STEM HAADF圖像
（b）c [001]觀察到的SnSe的高分辨率STEM HAADF圖像。紅色代表Sn原子，藍色代表Se原子，虛線矩形表示一個單胞，插圖為模擬的STEM HAADF圖像
（c-f）SnSe樣品沿[010]方向的的原子尺度EDS面掃圖
圖2 摻雜樣品的TEM低倍明場像
（a）SnSe摻雜1％Na樣品中的析出物分布圖
（b）SnSe（0.5％Na + 0.5％K）共摻雜樣品中的析出物分布圖
插圖為相應的電子衍射花樣標定
圖3 能帶結構
（a）未摻雜樣品的能帶結構圖
（b）1% Na摻雜樣品的能帶結構
（c）（0.5% Na+0.5% K）摻雜樣品的能帶結構
圖4 電子傳輸性能
（a）電導率隨溫度變化曲線
（b）Seebeck系數隨溫度變化曲線
（c）室溫下Seebeck 系數隨霍爾載流子濃度變化曲線
（d）功率因子隨溫度變化曲線
圖5 熱傳輸性能
（a）總熱導率隨溫度變化曲線
（b）晶格熱導率隨溫度變化曲線
實心標志表示實驗測量數據，空心標志表示計算數據
圖6 （0.5%Na + 0.5%K）摻雜樣品中的原子尺度缺陷
（a）取向為[001]和[011]兩晶粒間的晶界，插圖是兩顆晶粒的快速傅里葉變換（FFT）模型，白色虛線為晶界的位置
（b）嵌入SnSe基質中的沉淀物。插圖為基質的快速傅里葉變換（FFT）模型，紅色虛線里為沉淀物
（c）b平面中基質和沉淀物的的快速傅里葉逆變換（IFFT）模型
（d）反相疇界（APB）及其相應的具有1/2 [010]晶體轉變的{100}晶面原子模型
圖7 熱電優值ZT
（a）本研究中所有樣品的ZT值
（b）文獻中報道的SnSe多晶材料
【小結】
多晶SnSe材料的ZT值從未摻雜到摻雜1%Na到1%（Na,K）共摻雜變化為0.1-0.3-1.2，ZT值得顯著提高源自多谷效應引起的Seebeck系數增大、Na和K固溶度提高以及引入了原子尺度結構缺陷從而降低了晶格熱導率。
文獻鏈接：Boosting the Thermoelectric Performance of (Na,K)-Codoped Polycrystalline SnSe by Synergistic Tailoring of the Band Structure and Atomic-Scale Defect Phonon Scattering（J. Am. Chem. Soc, 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b05339）
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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