熱電材料的案例
小盤點：這些國內團隊做出了世界頂級熱電材料研究
現任中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員、高性能陶瓷和超微結構國家重點實驗室主任，國際熱電學會理事會理事，亞洲熱電聯盟主席。陳立東組在國內熱電材料可謂是首屈一指，課題組的研究方向很全面成果也很多，僅2017年就有近30篇高質量文章。先后開發了聲子液體電子晶體材料、類金剛石結構、籠狀化合物、有機熱電材料和有機/無機復合熱電材料、熱電薄膜與微型熱電薄膜器件。課題組研究發現Cu2-δX（X=S, Se，Te）作為一種“聲子液體電子晶體”材料，具有優良的熱電性能，其ZT值最高達1.5-1.7，可與傳統熱電材料相媲美。
另外還提出了一種篩選熱電材料的贗立方結構原理，在此類結構中部分長程有序離子構成立方或者接近立方的框架，為載流子提供優良的輸運通道，而其它部分離子在短程上形成具有不同鍵長、鍵角和排列方式的不規則四面體，可以阻礙熱聲子輸運，這為篩選出新型高性能熱電材料提供了新的思路。
李敬鋒組
李敬鋒1984年畢業于華中科技大學并由政府公派日本留學，分別于88年和91年獲得日本東北大學材料系碩士和博士學位。91年4月至92年2月在日本陶瓷技術公司工作，92年至97年任日本東北大學材料系助理教授，97年3月至02年9月任日本東北大學材料系副教授，期間（98年3～5月）由日本政府派出在美國華盛頓大學機械系做訪問學者，02年2月回國受聘于清華大學材料科學與工程系任教授。李敬鋒組的研究范圍包括高性能熱電材料、壓電陶瓷與器件、MEMS材料技術。通過摻雜Li，Na和K系統研究了SnSe的熱電性質，發現Na的摻雜效果最好， 在800 K時，在1％Na或K摻雜的SnSe中實現了最大ZT為?0.8。張清杰組
作為武漢理工大學的校長，去年張清杰新晉當選中國科學院院士。
展開 在強磁場作用下，新材料顯著提升熱電轉化效率！
在相關論文中，他們報告了一種理論方法，通過這種方法建模的材料效率將提升五倍，產生的能量有望變為兩倍，這是現今最佳的熱電材料。
背景
在環境污染與能源危機日益加劇的背景下，熱電材料為我們節約能源帶來了新希望。說起熱電材料，必須先介紹一種物理現象，也就是“熱電效應”。熱電效應并不是什么新生事物，約兩百多年前，德國科學家 Thomas J. Seebeck 就發現了這種效應。
簡單說，它是指在特殊的熱電材料中，由于溫度差異產生電壓的過程。當材料一端較熱而另一端較冷時，材料中的電子（空穴）就會隨著溫度梯度從高溫區往低溫區移動，從而產生出電流或電荷堆積的現象。
（圖片來源：維基百科）
熱電材料的用途非常廣泛，讓我們大膽想象一下未來：熱電材料制成的自供電的可穿戴設備，將利用人體熱量發電；熱電材料制成的烹飪鍋可以采集炒菜時產生的廢熱，為智能手機充電；熱電材料還可以采集電動汽車發動機的熱量，為電動汽車提供一部分電力；還有，熱電材料也可以應用于飛機，利用機艙內外的溫差，為飛機提供更多的電力；同樣，電廠也可以利用熱電材料，回收利用部分的廢熱用于發電。
（圖片來源：Ashutosh Tiwari/猶他大學）
科學家們正在不斷研究并改善熱電材料，有朝一日這些想象中的方案有望全部變為現實。然而，目前阻礙熱電材料大規模應用的關鍵因素之一就是，熱量轉化為電力的效率太低。
創新
近日，美國麻省理工學院（MIT）的物理學家們找出了一條可以顯著提升熱電勢的途徑。在一篇發表于《科學進展（Science Advances）》雜志的論文中，他們報告了一種理論方法，通過這種方法建模的材料效率將提升五倍，產生的能量有望變為兩倍，它是現今最佳的熱電材料。
展開 中科院金屬所Nature Materials：高性能柔性層狀結構的熱電材料
與傳統的脆性和剛性熱電器件相比，柔性電子器件具有一些無可替代的優點。要獲得熱源表面和任意形狀之間的緊密接觸，良好的柔性是必不可少的；無支撐薄膜熱電材料由于可以容易地轉移到任何襯底上，通過減少熱能損失而顯著提高效率，通常是獲得最優器件配置的首選材料。
無機硫屬化合物（如Bi2Te3）是一種傳統的熱電材料，其可在寬的運行溫度下實現最優異的性能，但這種材料的脆性和剛性限制了它們在柔性熱電領域的應用。聚合物熱電材料雖然具有柔性好、重量輕以及易加工等優點，但由于其熱穩定性差、效率低以及接觸電阻高等缺點，因此嚴重阻礙其在熱電材料中的應用。碳納米管（CNTs）具有獨特的電、熱性能和優異的柔韌性，理論預測和實驗都表明CNTs是一種極具前景的柔性熱電材料。由于CNTs基復合材料中的碳納米管分布不均、弱的界面相互作用、雜質較多以及結構混亂等缺點，因而這種材料的熱電性能遠低于最新的無機硫屬化合物。因此，設計和制備具有優異綜合性能的柔性熱電材料仍然是一個巨大的挑戰。
【成果簡介】
近日，中科院金屬所邰凱平研究員、劉暢研究員和中科院近代物理所高寧研究員（共同通訊作者）等人合作利用磁控濺射技術在CNT支架上組裝層狀結構的Bi2Te3用于制造柔性熱電器件。該材料的功率因數在室溫下為~1600 μWm-1K-2，而在溫度為473 K時下降為1100 μWm-1K-2。其平面晶格熱導率為0.26±0.03 Wm-1K-1，室溫下最高的熱電品質因數可達0.89，這種性能主要來源于一種強的聲子散射效應。Bi2Te3-SWCNT材料優異的柔性與熱電性能主要來源于晶體取向、界面和納米孔結構，該研究結果為設計和制備高性能柔性熱電材料提供了新的思路。
展開 金屬所首次制備出一種新型熱電材料！
熱電材料是一種不需任何外力即可將“熱能”與“電能”相互轉換的“綠色”能源材料，可利用生活、生產中的廢熱發電，或在施加偏壓條件下實現熱量的精準傳輸，被廣泛應用于溫差電池供電、微系統芯片控溫制冷等領域。
傳統的熱電材料為無機共價鍵/離子鍵晶體，例如碲化鉍（Bi2Te3）是目前應用最廣的熱電材料，其周期性層狀結構內為共價鍵/離子鍵連接，而層間為弱范德華力連接，因而具有本征的脆性，不能發生柔性變形。傳統熱電材料在實際應用中無法緊密貼合具有復雜曲率變化的熱源表面（如熱源管道、人體體表等），這種不良熱接觸導致熱量散失和較低的熱電轉化效率；同時也難以適應熱電器件日趨微型化和高度集成化發展的需要。因此，高性能柔性熱電材料的研發已成為該領域研究的重點和難點。
近期，中國科學院金屬研究所研究員邰凱平課題組、劉暢課題組與合作者研制出一種高性能碲化鉍/單壁碳納米管（Bi2Te3/SWCNT）柔性熱電材料。研究人員采用自主設計改進的磁控濺射沉積系統，以具有優異力學和電學性能的自支撐碳納米管三維網絡為骨架，利用亞納米尺度的碳管束溝槽限制擴散和誘導有序形核以及薄膜材料的溫度選擇性晶面生長機理，首次制備出具有高度有序顯微特征的Bi2Te3/SWCNT復合自支撐熱電薄膜材料。
圖1 Bi2Te3-SWCNT復合自支撐熱電薄膜材料生長結構示意圖
該復合材料具有納米孔隙結構，沉積的Bi2Te3納米晶粒緊密附著于碳納米管束表面，且具有高度（000l）面織構，Bi2Te3<-12-10>晶向平行于碳納米管束軸線，相鄰Bi2Te3納米晶粒間為小角度取向傾轉晶界。Bi2Te3（000l）面織構有利于提高載流子面內傳導，小角度晶界能進一步降低其對于傳導載流子的散射作用，納米孔隙結構和Bi2Te3/SWCNT界面等缺陷起到散射聲子降低熱導率的作用。
展開 
熱電—從高通量材料發現到先進器件的發展歷史
來源 | Small
01
背景介紹
自19世紀塞貝克、珀爾蒂埃和湯姆森效應發現以來，熱電材料因其在建設節能世界方面的巨大價值而引起了科學家和工程師的興趣。TE材料可以通過溫度產生電能梯度，反之亦然。雖然全球三分之二的能源消耗被浪費為熱量，但通過收集廢熱，TE設備(TEDs)可以成為提高能源效率的潛在解決方案。TEDs不需要活動部件或對環境有害的工作流體，這可以提供可擴展且環保的發電和冷卻解決方案。對這一領域日益增長的興趣和研究投資使ted在空間和其他偏遠地區的發電，汽車和工業廢熱回收以及固態溫度控制器(如汽車氣候控制，小型便攜式冷卻器，微電子熱管理等)中的廣泛應用成為可能，旨在取代基于蒸汽壓縮的機械冰箱。TED需要將n型和p型半導體材料電串聯、熱并聯連接。根據應用的不同，TED可以分為兩種主要類型——發電(TEG)設備和冷卻(TEC)設備。
02
成果掠影
近日，美國諾特丹大學Yanliang Zhang綜述了熱電材料和器件的新進展。熱電材料可以將廢熱轉化為電能或充當固態珀耳帖冷卻器，正在成為解決全球能源短缺和環境可持續性的關鍵技術。然而，發現具有高熱電轉換效率的材料是一個復雜而緩慢的過程。高通量材料發現這一新興領域顯示出其加速開發高效率和低成本新型熱電材料的潛力。高通量材料加工和表征技術與機器學習算法的協同集成可以形成一個有效的閉環過程，以生成和分析廣泛的數據集，以發現具有前所未有性能的新型熱電材料。同時，先進制造方法的最新發展為實現可擴展、低成本和節能的熱電器件制造提供了令人興奮的機會。本文綜述了利用高通量方法發現熱電材料的最新進展，包括加工、表征和篩選。
展開 北京大學裴堅-王婕妤和化學所朱道本-狄重安合作：聚合物熱電材料最新研究進展
熱電器件是利用半導體的熱電效應實現熱能和電能之間直接轉換的半導體器件，其在極端條件下的熱能發電、微區域局部溫度調控等領域具有重要的應用。有機聚合物熱電材料因其低熱導率、可溶液加工、以及輕薄柔性等特點在下一代熱電器件中有巨大的應用價值。近年來，以聚(3,4-二氧乙撐噻吩)為代表的p型聚合物熱電材料的研究取得了重大的進展，其熱電性能可以媲美性能優異的無機熱電材料。然而，聚合物熱電器件中不可或缺的另一半 — n型聚合物熱電材料，其研究進展較為緩慢，熱電性能普遍低于p型熱電材料。如何通過n型聚合物分子結構的改進來提高熱電性能是聚合物熱電材料領域研究的關鍵。
圖1 半導體材料的熱電效應以及利用熱電效應工作的兩類熱電器件：溫差發電機和主動制冷器。
北京大學化學與分子工程學院裴堅-王婕妤課題組與中科院化學所朱道本-狄重安課題組合作設計發展了給體片段以氟原子修飾的n型給受體聚合物熱電材料，利用聚合物鏈間的給受體相互作用維持聚合物的電子遷移率，通過引入氟原子增加聚合物的電子親和性以提高n摻雜效率，兩者的協同作用大幅度提高了聚合物的n型電導率。通過進一步提高聚合物的塞貝克系數，成功地將n型給受體聚合物的熱電性能提高了三個數量級。
聚合物的分子結構如圖2所示。在給體片段上引入氟原子降低了聚合物的前線軌道能級，同時可以在聚合物分子主鏈中引入多重氫鍵相互作用，以增加聚合物骨架的剛性、提高聚合物的鏈內電荷傳輸能力。摻雜后，引入氟原子的聚合物的n型電導率提升至1.3 S/cm，功率因子提升至4.6 μW/mK2，是目前n型給受體聚合物熱電材料的最佳性能。
圖2 “給體修飾”n型給受體聚合物的化學結構和熱電性能。
圖3 摻雜聚合物的熱電性能。(a) 電導率；(b) 塞貝克系數；(c) 功率因子。
展開 上海光機所等在新型熱電材料取得進展！
近期，中國科學院上海光學精密機械研究所與山東大學、常州大學及上海大學等單位的熱電材料研究小組合作，在合成超低熱導率的新材料方面取得新進展。研究人員利用陰陽離子協同剪裁，將籠式化合物與銻化物的結構基元進行組合，打破傳統籠式化合物的固有結構與比例，獲得具有“電子晶體-聲子玻璃”特性的新型類籠式化合物Ba23M10Ge10Sb25δ(M = Ga, In)。這一新體系的發現為新型熱電材料的定向設計提供重要依據。
熱電材料性能評價指標為熱電優值ZT，ZT由Seebeck系數、電導率和熱導率決定。但是三個參數之間相互耦合，難以實現獨立調控。而本征熱導率低的材料具有明顯的優勢，給性能優化提供了先天條件，成為熱電材料研究的熱點。該課題組通過將籠合物與銻化物結合，利用籠狀框架中的“振子”Ba2+產生低頻振動，銻原子產生非簡諧振動，有效降低晶格熱導率。獲得的新化合物Ba23Ga10Ge10Sb25具有類似玻璃的導熱特性，在323K下的晶格熱導率為0.2W﹒m-1﹒K-1，僅為經典籠式化合物Ba8Ga16Ge30的1/4。
基于此類材料晶格熱導率低的優勢，通過調控載流子濃度，有望獲得有實際應用價值的高溫發電材料。該研究成果已被Chemistry of Materials[DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b01441]在線發表。該研究獲得國家自然科學基金(No.11535010)、中科院創新交叉團隊等的資助。
展開 我國科學家研發出具有超低熱導率的熱電材料
1月22日，從中科院合肥物質科學研究院獲悉，該院固體所物質計算科學研究室張永勝研究員課題組，在熱電材料低熱導率研究中取得新進展，相關結果日前發表在國際著名的《物理評論B》上。
熱電材料可以實現熱能和電能之間的相互轉化，其轉換效率可以用無量綱的ZT值來衡量，ZT值越大，熱電轉換效率越高。目前報道的熱電材料轉換效率較低，尋找具有較低熱導率的材料是提高熱電材料轉換效率的一個重要方法。由于礦石材料具有很低的熱導率，并且價格低廉而受到科研人員廣泛關注，其中兩種同構同型的礦石材料CuBiS2和CuSbS2的實驗測量熱導率值差別很大，室溫下CuBiS2的熱導率僅為CuSbS2的1/3，因此探索影響材料低熱導率的物理機制對設計和尋找新材料具有重要意義。
為此，張永勝研究員課題組的科研人員采用密度泛函理論方法，研究了CuBiS2相對于CuSbS2具有較低熱導率的物理機制。研究表明，CuBiS2和CuSbS2中的Bi和Sb原子都含有孤對電子，而孤對電子會導致材料有較強的非簡諧性，進而兩種材料都有較低的熱導率。這種孤對電子和原子振動的協同作用導致CuBiS2相對于CuSbS2具有更低的熱導率。相關研究表明，孤對電子和原子振動的協同效應對聲子非簡諧性有著重要影響。
這一研究成果，將為尋求和設計具有超低熱導率和高效率的新型熱電材料提供了嶄新的思路。
來源：新材料技術前沿
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新材料技術前沿
展開 基于Cu12Sb4S13四面體的熱電納米復合材料及其熱電性能增強
盡管CAS具有超低的晶格熱導率，但由于其相對較低的功率因數(S2σ)，其TE性能仍然低于其他高性能TE材料。功率因數依賴于材料結構。因此，通過引入納米級結構可優化電傳輸性能，從而將簡單的制造過程結合到基底中，同時保持低導熱性，能夠進一步實現CAS可調的TE性能。雖然引入納米結構是提高材料熱電性能的有效方法之一，但其在CAS四面體中尚未得到應用。
【成果簡介】
近日，清華大學李敬鋒教授(通訊作者)等采用機械合金化(MA)和放電等離子燒結(SPS)相結合的簡便方法合成了Nb2O5納米顆粒分散的Cu11.5Ni0.5Sb4S13-δ復合材料，并在Nano Energy上發表了題為“Enhanced performance of thermoelectric nanocomposites based onCu12Sb4S13 tetrahedrite”的研究論文。通過重復的MA和SPS工藝得到的細粒納米結構提高了整個溫度范圍內的電導率和功率因數。由于強烈的低中頻聲子散射，均勻分布的Nb2O5納米顆粒和納米孔將晶格熱導率有效降低至0.6 W·m-1·K-1。少量的Nb2O5添加(0.3 vol %)使得723K時ZT值高達1.2，與基底樣品相比增加~50%。上述納米復合材料還具有高平均ZT值、熱電轉換效率和斷裂韌性。
【圖文簡介】
圖1 CNAS-0.3NPs復合材料與其他熱電材料的性能比較
CNAS-0.3NPs復合材料與其他熱電材料的性能比較。
展開 ：噴墨印刷制備大面積柔性少層石墨烯熱電材料
【引言】
納米結構熱電材料已成為可持續低等級廢熱回收處理領域的研究熱點。在熱電系統中，低維系統受到特別關注，主要由于其空間限域引起的能量量子化與結構內受限熱聲子傳播效應。雖然該領域在開發用于熱電能量轉換的高效材料方面已取得穩步進展，但目前的高效熱電材料仍主要基于有毒、自然稀缺、機械剛性和/或昂貴的固態材料，例如PbTe，Bi2Te3和Sb2Te3。這些缺點已經引起人們對豐富且低成本的有機溶液的興趣。
作為二維材料家族中研究最廣泛的實例，石墨烯由于其獨特的性質而受到了電子、機械和光子學的特別關注，主要包括極高的電荷載流子遷移率、極高的機械強度和超高速寬帶光學響應速率。然而，石墨烯作為熱電材料的潛力僅僅滿足了有限的期望。事實上，由石墨烯的半金屬性質引起的消失帶隙意味著有限的塞貝克系數S，其與單片石墨烯的特別大的面內熱導率κ共同導致了不理想的熱電轉換效率，其主要取決于公式zT=S2T(ρκ)?1，其中ρ和T分別表示電阻率和溫度。許多理論研究已經找到了通過利用各種納米結構設計來解決這些問題的方法，例如石墨烯納米帶，異質結和納米孔結構以改善塞貝克系數，以及用于熱設計的邊界粗糙度、缺陷和同位素工程。其中一些研究已經預測石墨烯具有非常大的zT值，在室溫下可達2-5。然而，由于尚不具備理想的大規模制備技術，大多數策略仍然具有挑戰性。在石墨烯納米復合材料中，單層石墨烯所具有的優異特性被強烈淬火的片間運輸所破壞。因此，盡管石墨烯可以作為導電聚合物基低溫熱電材料，卻很少有研究關注通過基于溶液法生產的可擴展耐高溫全石墨烯結構。這種方法能夠利用現有的商業印刷工藝，例如，噴墨印刷作為有經濟吸引力的無掩模沉積技術，可以用于大面積熱電應用。然而，對印刷設備的穩定控制需要同時優化印刷材料的熱電性能以及材料油墨的長期穩定性和合適的流體物理性質。
展開 上海大學：熱電材料性能調控方面重要進展！
熱電材料的載流子濃度是其電-熱轉換效率的決定性因素之一。然而，熱電材料的最佳載流子濃度并不是一個定值，而是隨溫度而變化。因此，傳統的摻雜方式并不能實現熱電材料在全工作溫區內的載流子濃度優化。
近年來的研究表明，含有“動態原子”的化合物往往表現出奇異的電熱輸運性能，比如具有類液態Cu子晶格的Cu2Se化合物，以及具有金屬-絕緣體轉變的VO2化合物等。熱電（溫差電）性能由電、熱輸運性能共同決定，因此是研究“動態原子”作用的理想體系。并且在理解“動態原子”作用機理的前提下，有望利用其對熱電性能進行寬溫域優化。
動態原子行為示意圖：（a）低溫下體系由PbSe基體及富Cu第二相構成；（b）隨溫度升高Cu原子逐漸進入晶格間隙形成動態n型摻雜；（c）高溫下晶格間隙中的Cu劇烈振動，極大地降低了材料的熱導率。
最近上海大學材料學院駱軍教授課題小組利用“動態原子”對熱電化合物的電熱輸運性能進行了調控。他們首先設計并構建一個包含基體（PbSe）和第二相的相分離體系，并利用溫度升高過程中第二相的逐漸溶解在基體中引入了間隙原子，從而實現了在全溫區范圍內對載流子濃度的優化（見上圖）。
在該材料體系中，間隙Cu離子表現出“動態”特征，并且可以提供1個電子，實現對基體的n型摻雜。首先，在低溫下，富Cu第二相可視作原位摻雜源，隨著溫度升高，Cu在PbSe中的固溶度逐漸增大，Cu離子不斷從富Cu第二相動態進入到PbSe的晶格間隙，從而載流子濃度隨溫度升高而漸進式增加，實現了寬溫區的載流子濃度優化，因此功率因子顯著增大。其次，Cu的添加在材料中引入晶格缺陷，同時位于晶格間隙的Cu在高溫下劇烈振動導致低頻光學支聲子的出現，從而實現了多尺度聲子散射，因此晶格熱導率顯著降低。
展開 
熱電領域著名的Hicks-Dresselhaus理論預言首次在二維層狀材料中得到實驗證實
【引言】
熱電效應是指在給定溫度梯度下產生電勢差的一種物理現象。通常用品質因子ZT = S2σT/,（其中S是Seebeck系數，σ代表電導率，T是溫度，則表示熱導率）來表征材料的熱電性能。具有高品質因子的熱電材料能夠有效地將廢熱轉換為電能，具有廣泛的應用前景，因此尋找具有高品質因子的熱電材料是能源轉換領域的一個研究熱點。為了提高熱電材料的品質因子，有兩種途徑：增強S2σ（又稱功率因子）或者降低材料的熱導率。
早在1993年，麻省理工學院的Mildred Dresselhaus教授和她的博士生L. D. Hicks曾預言二維量子限域效應引起的態密度增強現象會極大地提高材料的熱電功率因子 (Phys. Rev. B 47, 12727 (1993) )，這為獲得高性能的熱電材料提供了一個非常重要的理論指導。但是截至目前，一直沒有實驗確切地證實這個理論預測。即使在一些實驗中半導體材料量子阱的寬度已經縮小至電荷的波爾直徑尺度，仍然沒有觀察到熱電性能的顯著增強。最近，南京大學物理學院的梁世軍副研究員和繆峰教授開展實驗，同時與吉林大學張立軍教授理論課題組合作，利用二維材料均勻厚度和載流子濃度可控的特性，首次證實了著名的Hicks-Dresselhaus理論預言。
展開 一種用于可穿戴和個人熱管理的柔性熱電材料
來源 | Energy Conversion and Management
原文 | https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117017
01
背景介紹
熱電器件(TEDs)因其能直接將熱轉化為電，以及易于調節的主動冷卻能力而引起了人們的極大興趣。近年來，可穿戴電子技術的快速發展擴大了TEDs的可能應用范圍。一個方向是為小型可穿戴設備的不間斷供電收集身體熱量，因此TEDs可以作為可穿戴綠色電源。另一個方向是對人體進行降溫，使皮膚保持舒適狀態。相對于傳統的集中空調系統，只需少量的人員就會消耗幾千瓦的功率，個性化熱管理的TEDs對于不同的個體來說，在功耗和舒適度調節方面更加高效。在此背景下，設備的靈活性和對人體皮膚的順應性具有重要意義。通常，有不同的策略來獲得TEDs的靈活性。一種是利用內在柔性熱電(TE)材料來制造f- TEDs。雖然它們具有優越的內在柔韌性，但由于柔性TE材料的熱電性能較低，使得它們無法通過收集人體熱量來驅動可穿戴設備。另一種方法是通過蛇形金屬線、銀納米線或液態金屬等柔性電極連接高熱電性能材料和TE材料，然后用柔性彈性體封裝。雖然這些工作已經實現了相當大的可以驅動可穿戴設備的身體熱發電，但大多數還沒有實現對人體等任意幾何形狀的有效主動冷卻。因此，開發一種能夠同時實現高性能的身體熱發電和主動冷卻的可穿戴TED對于個人熱管理具有重要意義。
02
成果掠影
柔性熱電器件(f- TEDs)可實現熱與電的直接能量轉換，在可穿戴柔性材料和個人熱管理方面具有廣闊的應用前景。
展開 立方相MnGeTe2——一種新型的熱電材料
具有立方結構的IV族碲化物半導體(PbTe和SnTe)已經引領了熱電領域的諸多革新。近年來， 非立方相化合物GeTe與MnTe也表現出很好的熱電前景。
同濟大學材料科學與工程學院裴艷中課題組在Science China Materials上發表文章，介紹了一種新型高效非立方相熱電材料MnGeTe2。
MnGeTe2是GeTe與MnTe的衍生化合物。本征態MnGeTe2因單質鍺的析出而存在高濃度的陽離子空位， 載流子濃度高達~3.6×1021cm?3，遠高于熱電應用所需，通過Bi的摻雜可使得載流子顯著降低(室溫下MnGe0.9Bi0.1Te2載流子約為~9×1020cm?3)。
圖1 室溫下MnGeTe2的結構
在這樣大的載流子濃度范圍內，一方面可以基于聲學聲子散射機制下的單拋物帶模型，實現對載流子輸運性質進行全面的評估; 另一方面還可以實現熱電功率因子的優化。此外，由于材料中存在高度無序的陽離子和陽離子空位，可在測試溫度范圍內獲得1.2 W m?1 K?1甚至更低的晶格熱導率。
當載流子濃度達到優化值~9×1020 cm?3時，在850 K各向同性的立方相下可獲得接近1.0的zT值以及高于200 HV的維氏硬度值，進一步證實MnGeTe2是一個很有前景的熱電材料。
Promising cubic MnGeTe2 thermoelectrics
周斌強, 李文, 王曉, 李娟, 鄭良濤, 高博, 張馨月, 裴艷中
Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9328-5
展開 立方相MnGeTe2——一種新型的熱電材料
具有立方結構的IV族碲化物半導體(PbTe和SnTe)已經引領了熱電領域的諸多革新。近年來， 非立方相化合物GeTe與MnTe也表現出很好的熱電前景。
同濟大學材料科學與工程學院裴艷中課題組在Science China Materials上發表文章，介紹了一種新型高效非立方相熱電材料MnGeTe2。
MnGeTe2是GeTe與MnTe的衍生化合物。本征態MnGeTe2因單質鍺的析出而存在高濃度的陽離子空位， 載流子濃度高達~3.6×1021cm?3，遠高于熱電應用所需，通過Bi的摻雜可使得載流子顯著降低(室溫下MnGe0.9Bi0.1Te2載流子約為~9×1020cm?3)。
圖1 室溫下MnGeTe2的結構
在這樣大的載流子濃度范圍內，一方面可以基于聲學聲子散射機制下的單拋物帶模型，實現對載流子輸運性質進行全面的評估; 另一方面還可以實現熱電功率因子的優化。此外，由于材料中存在高度無序的陽離子和陽離子空位，可在測試溫度范圍內獲得1.2 W m?1 K?1甚至更低的晶格熱導率。
當載流子濃度達到優化值~9×1020 cm?3時，在850 K各向同性的立方相下可獲得接近1.0的zT值以及高于200 HV的維氏硬度值，進一步證實MnGeTe2是一個很有前景的熱電材料。
Promising cubic MnGeTe2 thermoelectrics
周斌強, 李文, 王曉, 李娟, 鄭良濤, 高博, 張馨月, 裴艷中
Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9328-5
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