中國科學院深圳先進技術研究院與華盛頓大學：探究如何在納米尺度定量測量熱電復合材料熱導

【成果簡介】

納米尺度輸運性質的定量測量是國家重點研發計劃納米科技重點專項的一個重要目標。日前，中國科學院深圳先進技術研究院與華盛頓大學的研究人員在這一領域取得進展。Nasr Esfahani 及其同事最近在NSR發表論文“Quantitative nanoscale mapping of three-phase thermal conductivities in filled skutterudites via scanning thermal microscopy”，報道了其運用掃描熱成像原子力顯微鏡（SThM）定量測量三相結構的方鈷礦熱電材料的局域熱導率。該工作得到國家重點研發計劃納米科技重點專項的支持。

【圖文導讀】

圖1 熱電材料最大ZT值發展趨勢（Nature Nanotechnology，2013）

圖2 高性能納米熱電材料AgPb₁₈SbTe₂₀（左：Science，2004）和BiSbTe（右：Science，2008）

圖3 方鈷礦的熱成像、形貌及成分相分布

圖4 方鈷礦的熱導率分布及其界面處變化

【研究內容】

在過去20余年，納米材料與結構迅猛發展，極大提升了材料的宏觀性能。這在熱電領域尤為顯著。2013年，Mildred S. Dresselhaus 等人在 Nature Nanotechnology 回顧過去半個多世紀熱電材料的研發歷程，給出了如圖1所示的熱電材料最大ZT值發展趨勢圖。由圖可見，在上世紀最后30年，熱電材料性能增長經歷了漫長的停滯。拐點出現在新世紀初，由于納米結構的引入，熱電材料最大ZT值在過去近20年從1大幅度增長至2以上，其中中國學者貢獻顯著。高性能熱電材料能夠用于回收工業生產和日常生活中所產生的大量廢熱，也可用于固態制冷。其轉換效率取決于熱電優值ZT（最大值和平均值），因此高ZT值的納米結構熱電材料對于熱電效應的大規模應用至關重要。

盡管納米結構熱電材料在過去20年有了長足的發展，然而其性能提升卻是在無法對其非均勻分布的熱電性能進行準確測量的背景下實現的。事實上，這是納米材料所面臨的一個普遍共性問題：如今，我們能夠對材料的成分與結構進行原子尺度的表征，如圖2所示的Mercouri G. Kanatzidis教授以及任志鋒教授和陳剛教授等分別在Science所報道的高性能納米熱電材料。可是，我們當前還無法在納米尺度定量測量材料的局域性能，因此也無法將納米結構與其宏觀性能直接關聯，只能依靠計算材料學的理論和模擬指引。如果我們能夠直接測量圖2所示的納米量子點、納米晶粒乃至晶界的熱電性能，就有可能進一步推動對納米結構熱電材料的理解。

國科學院深圳先進技術研究院與華盛頓大學的研究人員報道其運用掃描熱成像原子力顯微鏡（SThM）定量測量三相結構的方鈷礦熱電材料的局域熱導率，如圖3所示。他們通過背散射電子顯微鏡（BSE）確定材料的微區成分，再通過熱探針實現同一局域的熱成像（SThM）。以往SThM成像倍受形貌起伏的干擾，但從圖3可見，在這一工作中，熱成像（SThM）與形貌像（Topography）沒有關聯，而與成分相（BSE）一一對應；這是前所未有的。借助于一系列標準樣品的標定，結合有限元局域熱傳導過程模擬，Nasr Esfahani等確定出材料局域的熱導率分布，如圖4所示，并準確捕捉其在兩相界面處的變化。

原文鏈接：http://paper.sciencenet.cn//htmlpaper/201781516153484544636.shtm。

文獻鏈接：Quantitative nanoscale mapping of three-phase thermal conductivities in filled skutterudites via scanning thermal microscopy（NSR，2017，DOI：https://doi.org/10.1093/nsr/nwx074）

本文由材料人編輯部王冰編輯，點我加入材料人編輯部。

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