近期，中科院合肥研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部秦曉英研究員課題組在Cu2SnSe3材料體系熱電性能調控方面取得新進展。研究人員通過在Cu2SnSe3化合物中構建高密度堆垛層錯與內生納米針(nanoneedle)來散射中低頻聲子并大幅提升了其熱電性能，使得Cu2Sn0.88Fe0.06In0.06Se3-5wt.%Ag2Se樣品的熱電優(yōu)值ZT在848K時高達1.61，相關研究結果以 “Creating high-dense stacking faults and endo-grown nanoneedles to enhance phonon scattering and improve thermoelectric performance of Cu2SnSe3” 為題發(fā)表于Nano Energy (Nano Energy, 2022, DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107510 ) 上。

  熱電技術作為有望解決能源問題的新途徑，近年來引起廣泛關注。熱電材料的轉化效率由無量綱量熱電品質因子ZT決定，ZT=S2σT/ (κc+κL), 其中S為熱電勢，σ為電導率，T為絕對溫度，κc和κL 分別是載流子和晶格對熱導率的貢獻。Cu2SnSe3是一種組成元素廉價、環(huán)境友好的新型熱電材料，但其較高的熱導率和較低的功率因子PF (PF=S2σ) 限制了其ZT值的提升。目前對于Cu2SnSe3熱電性能的優(yōu)化主要是通過Sn位摻雜提高空穴濃度，然而這種摻雜會導致熱電勢的大幅下降和電子熱導率的顯著提升，使得ZT值的提升有限。此外，大多數研究只通過引入點缺陷或者球形納米顆粒來散射聲子，很少有利用堆垛層錯或者具有大縱橫比的納米第二相來顯著散射材料中的中低頻聲子(MLFPs)。

  由于多元合金/化合物里MLFPs主導熱輸運，因此有效散射MLFPs是降低晶格熱導率κL的關鍵。研究人員通過元素摻雜降低Cu2SnSe3的層錯能 (圖1)以及利用Ag2Se 與Cu2Sn0.88Fe0.06In0.06Se3的固相反應來分別引入高密度的堆垛層錯和以[112]為軸的內生AgInSnSe4納米針 (如圖2和圖3) 來有效散射MLFPs。第一性原理計算表明納米針形成的內因是其 (1 1 2) 晶面具有高的表面能 (如圖1)。理論分析發(fā)現，納米針的縱橫比是一個調控散射聲子的額外自由度，通過改變縱橫比可以散射不同頻率的聲子。平均徑向尺寸為50nm、縱橫比等于10的納米針可以和堆垛層錯一樣顯著散射MLFPs (如圖4)，結合點缺陷及其它散射機制實現對Cu2SnSe3聲子的全頻譜散射，使其晶格熱導率在848K時降低至理論最小值~0.2WK-1m-1。與此同時，研究表明在Cu2SnSe3的Sn位摻Fe以及Cu位摻Ag可以增加價帶頂的態(tài)密度，并且Sn位摻Fe還可以構建額外的空穴傳輸通道(如圖5)，這使其功率因子提升了3倍，在800K時達到了12μWcm-1K-2。最終，Cu2SnSe3的最高ZT值在848K時可達到1.61，是目前本體系報道的最高值 (如圖6)。相關工作為Cu2SnSe3及其它熱電材料的熱電性能調控提供了新思路。

  該工作得到國家自然科學基金的支持, 理論計算在中科院超算中心合肥分中心完成。

  文章鏈接：https://authors.elsevier.com/c/1fJ4G7soS82Jzk

圖1. (a) Cu2SnSe3的廣義層錯能和 (b) AgInSnSe4的表面能。

圖2. 微結構表征及應變分析。

圖3. 層錯的微觀形貌。

圖4. 熱電輸運性質及分析。

圖5. 電子結構計算。

圖6. 功率因子及熱電優(yōu)值。