近期，中科院合肥研究院固體所能源材料與器件制造研究部秦曉英研究員課題組在n型PbTe材料體系熱電性能方面取得新進(jìn)展。通過向PbTe基體中摻雜Sb元素、引入少量Cu12Sb4S13納米顆粒，構(gòu)造了Pb0.97Sb0.03Te + y wt% Cu12Sb4S13(y=0,1.25,1.5,1.75)復(fù)合體系，利用原位反應(yīng)構(gòu)建半共格納米相，實(shí)現(xiàn)材料功率因子的提升以及熱導(dǎo)率的顯著下降，提升了PbTe的熱電優(yōu)值（ZT）。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Nanoscale ( Nanoscale, 2022, DOI: 10.1039/D2NR04419F)雜志上。以熱電材料為核心部件的熱電器件可以將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換，無需運(yùn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪音污染，且不排放任何有毒或溫室氣體。PbTe被認(rèn)為是非常有前景的中溫?zé)犭姴牧现?。然而，n 型 PbTe 材料熱電優(yōu)值相比于p 型 PbTe 材料較低。其主要原因是 PbTe 導(dǎo)帶中的輕帶（L）和重帶（∑）之間存在較大的能量偏移，導(dǎo)致 n 型PbTe 中很難實(shí)現(xiàn)能帶簡(jiǎn)并，使得其功率因子較低。因此，需開展更為深入和系統(tǒng)的研究以有效和大幅提升n型PbTe的熱電性能。

鑒于此，固體所科研人員主要利用施主元素?fù)诫s優(yōu)化n 型 PbTe中載流子濃度，同時(shí)結(jié)合能帶工程/能量過濾效應(yīng)提高其電學(xué)性能；在此基礎(chǔ)上利用原位反應(yīng)構(gòu)建半共格納米相，引入多尺度缺陷散射聲子（位錯(cuò)、界面、納米第二相等），以達(dá)到提高功率因子、降低熱導(dǎo)率，進(jìn)而提高ZT的目的。結(jié)果顯示，復(fù)合樣品Pb0.97Sb0.03Te + 1.5 wt% Cu12Sb4S13具有優(yōu)異的熱電性能，ZT達(dá)到1.58 (773K)，相比Pb0.97Sb0.03Te提升了約75%。該工作表明Cu12Sb4S13納米顆粒的加入是提高Pb0.97Sb0.03Te熱電性能的有效途徑，對(duì)于n型碲化鉛熱電性能的調(diào)控研究具有重要意義。

上述工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、合肥研究院院長基金的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D2NR04419F

圖1. 復(fù)合物樣品的高分辨圖像以及選定區(qū)域電子衍射(SAED)。

圖2. (a) Pb0.97Sb0.03Te + y wt% Cu12Sb4S13樣品電導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系；(b) Pb0.97Sb0.03Te + y wt% Cu12Sb4S13樣品Seebeck系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系；(c) 室溫下所有復(fù)合材料的塞貝克系數(shù)隨載流子濃度的變化情況；(d) Pb0.97Sb0.03Te + y wt% Cu12Sb4S13樣品功率因子隨溫度的變化關(guān)系。

圖3. (a) Pb0.97Sb0.03Te + y wt% Cu12Sb4S13樣品總熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系；(b) Pb0.97Sb0.03Te + y wt% Cu12Sb4S13樣品電子熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系；(c) Pb0.97Sb0.03Te + y wt% Cu12Sb4S13樣品晶格熱導(dǎo)率隨溫度的變化關(guān)系；(d) Pb0.97Sb0.03Te + y wt% Cu12Sb4S13樣品熱電優(yōu)值隨溫度的變化關(guān)系。