固體所在碲化鉍合金熱電性能調控方麵取得新進展

近期 ，中科院合肥研究院固體所秦曉英研究員課題組在N型Bi2Te2.7Se0.3(BTS)材料體係熱電性能方麵取得新進展 。研究人員通過向BTS基體中引入少量Ag9AlSe6納米顆粒實現材料熱導率的顯著下降 ，使含0.35vol.% Ag9AlSe6的複合樣品的最大ZT（熱電優值）達到1.2 ( 423K) ，在300-473K溫區內的平均ZT達到了1.1 。相關工作以 “Enhancing thermoelectric performance of n-type Bi2Te2.7Se0.3  through incorporation of Ag9AlSe6 inclusions ” 為題發表在材料化學類期刊 Inorganic Chemistry Frontiers   (Inorg. Chem. Front., 2022, DOI: 10.1039/d2qi01232d )上 。

近年來 ，熱電技術作為解決能源問題的有效途徑備受關注 。熱電材料的能量轉換效率由無量綱的熱電優值ZT=S2T/rk=PF·T/k決定 ，其中S 、r 、T 、k和PF (=S2/r)分別代表塞貝克係數 、電阻率 、絕對溫度 、導熱係數和功率因子 。因此 ，高的功率因子PF和低的熱導率k是材料高ZT值的必要條件。然而 ，這些熱電參數(S ， σ ， κ)是相互交織的 ，這對提高ZT值仍然是一個挑戰 。

熱電器件是由P型和N型熱電材料組成 。目前對P型室溫熱電材料ZT的改進已經取得了很大的進展 。但在室溫附近開發高性能(大ZT)的N型熱電材料麵臨更大的挑戰 ，這阻礙了熱電器件的轉換效率 ，使其無法得到廣泛應用 。因此 ，開發高效的N型室溫熱電材料 ，研製高轉換效率的熱電器件具有重要意義 。Bi2Te3是目前公認的在室溫下既能發電又能冷卻的著名合金之一 。但N型Bi2Te3相對應的熱電優值ZT和能量轉換效率較低 ，限製了其商業應用 。因此 ，提高N型Bi2Te3的熱電性能是促進其工業應用的必要條件 。

尋找最優的第二相是設計和製造一個性能優異(包括功能和結構)的複合體係材料的首要和關鍵任務 ，很多研究都對BTS的不同分散相進行了探索 ，以獲得更好的熱電性能 。固體所科研人員嚐試通過向BTS中引入N型納米顆粒Ag9AlSe6 ，研究了BTS-xvol% Ag9AlSe6 (x= 0 、0.15 、0.25 、0.35 、0.50和0.70)樣品的熱電性能 。結果表明 ，在BTS中加入Ag9AlSe6納米粒子加入 ，其聲子散射和相界增強 ，使得塞貝克係數增強和熱導率降低 ，複合樣品BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的熱電性能比原始BTS提高了約40% ， ZTmax值 達到1.2 (423K) 。BTS-0.50vol% Ag9AlSe6的平均ZTave為1.1 (300K-473K) 。該工作表明Ag9AlSe6納米顆粒的加入是提高BTS熱電性能的有效途徑 ，對於N型碲化鉍合金熱電性能的調控研究具有重要意義 。

上述工作得到國家自然科學基金和安徽省自然科學基金以及合肥研究院院長基金的支持 。

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圖1. (a-b) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的TEM圖像 ；(c) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的高倍TEM圖像 ；(d)選定區域電子衍射(SAED)(假彩色) ；(e-l) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的TEM圖像和Bi 、Te 、Se 、Ag 、Al的EDS譜圖 。

圖2. BTS-xvol%Ag9AlSe6 (x=0,0.15,0.25,0.35,0.50和0.70)樣品的(a)熱電優值 (ZT)隨溫度的依賴性 ；(b) 平均熱電優值 (ZTave)隨Ag9AlSe6含量的依賴性 。