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固體所在黃銅礦材料體系熱電性能優化方面取得重要進展
文章来源: 张建 发布时间: 2019-11-14

  近期,中國科學院合肥物質科學研究院固体物理研究所秦曉英研究員課題組在熱電材料性能研究方面取得重要進展,通過AgIn合金化在p赝立方結構的CuGaTe2材料中引入多元疇結構,抑制材料聲子輸運的同時顯著增強其熱電勢,進而在大幅降低熱導率的同時保持較高的功率因子,最終其熱電性能獲得大幅提升,熱電優值ZT=1.64@873K,爲該體系已報道最高值。相關結果在線發表在Advanced Materials 雜志上。

  以热电材料为核心部件的热电器件可以将热能和电能进行直接转换,无需运动部件,不产生噪音污染,也不排放任何有毒或温室气体。黄铜矿結構的材料体系CuGaTe2等由于其較高的功率因子而備受關注,但是其固有的較高的晶格熱導率限制了該體系熱電性能的進一步提升。

  針對該材料體系,並基于前期研究基礎固體所科研人員通過在CuGaTe2中引入等電子元素InAg,制备出具有复杂的纳米尺寸应变畴結構的多組元合金化合物体系Cu1-xAgxGa0.4In0.6Te2 (0≤x≤0.4)纳米尺度的多組元畴结构引起了强烈的声子散射 (如圖12),使得優化的化合物體系熱導率大幅下降,例如:在300K時的熱導率從基體化合物CuGaTe26.1 W·m-1·K-1下降到x=0.4樣品的1.5 W·m-1·K-1,如圖3。最終,優化的黃銅礦樣品Cu0.7Ag0.3Ga0.4In0.6Te2具有優異的熱電性能,ZT達到該體系已報道最高值1.64 (873K,如圖1),在300-873K溫度區間的平均ZT達到0.73,相比純相CuGaTe2分別提升了約37%和35%,表明在这种黄铜矿化合物中,等电子元素合金化以及纳米尺度的畴结构可以有效地抑制热导率并显著提高其热电性能。相关工作也为后续通过微观結構的设计和构建提高其他相关材料体系的热电性能提供了重要参考。

  該工作得到國家自然科學基金,安徽省自然科學基金的支持。

  文章鏈接https://doi.org/10.1002/adma.201905210

1. 畴结构在黄铜矿样品中的分布及其对电声输运调控的示意圖和複合體系Cu1-xAgxGa0.4In0.6Te2熱電優值ZT與溫度對應關系。

2. 复合物樣品的高分辨圖像及GPA應力分析顯示出疇區及疇界的分布。

3. 複合體系Cu1-xAgxGa0.4In0.6Te2  (x=0, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.40)的晶格熱導率隨溫度變化曲線。

 

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