熱電材料及應(yīng)用物理編者按

經(jīng)過(guò)上百年的發(fā)展, 人們清楚地認(rèn)識(shí)到熱電材料難以取得較高熱電優(yōu)值ZT值的原因在于材料的Seebeck 系數(shù)S、電阻率ρ和電子熱導(dǎo)率κe三個(gè)熱電參數(shù)間的強(qiáng)耦合關(guān)系, 即它們都與載流子濃度n密切相關(guān), 很難通過(guò)單獨(dú)操控某一參數(shù)提升ZT值. 目前, 熱電性能優(yōu)化策略大致包括兩個(gè)方面, 即電學(xué)性能的提升及熱學(xué)性質(zhì)的優(yōu)化. 1) 電學(xué)性質(zhì)方面, 通過(guò)能帶工程可實(shí)現(xiàn)Seebeck 系數(shù)S和電阻率ρ的解耦, 從而有效提升功率因子PF, 其中能帶收斂、態(tài)密度共振、能帶各向異性以及能帶嵌套是最為典型的能帶工程策略. 此外, 界面工程, 例如能量過(guò)濾效應(yīng)和調(diào)制摻雜也可顯著優(yōu)化電學(xué)性質(zhì). 2)熱學(xué)性質(zhì)方面, 通常采用降低聲子弛豫時(shí)間或聲子群速度的方法以實(shí)現(xiàn)唯一相對(duì)獨(dú)立的參數(shù)—晶格熱導(dǎo)率κl的最小化, 包括引入晶格缺陷(點(diǎn)缺陷、納米相、位錯(cuò)、晶界等)及晶格軟化; 另外, 尋找具有本征低晶格熱導(dǎo)率的新型熱電材料也是一種可行方式, 可通過(guò)在具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)晶格非諧性、類(lèi)液態(tài)行為或低聲速的材料中篩選出具有本征低晶格熱導(dǎo)率的化合物.

可以根據(jù)熱電材料的適用溫區(qū)范圍對(duì)熱電材料進(jìn)行分類(lèi). 1) 300—550 K 近室溫區(qū)熱電材料.目前達(dá)到商業(yè)化程度的近室溫區(qū)材料為Bi2Te3基熱電材料, 其中p 型Bi0.5Sb1.5Te3材料最高ZT值可達(dá)～1.8. 近年來(lái), n 型Mg3(Sb, Bi)2熱電材料在300—700 K 具有優(yōu)異的熱電性能(ZT峰值可達(dá)～1.8). 2) 550—950 K 中溫區(qū)熱電材料. 包括PbQ(Q= S, Se, Te), SnTe, GeTe, PbTe-AgSbTe2(LAST)及GeTe-AgSbTe2(TAGS)等合金體系. 近年來(lái), 研究人員相繼發(fā)現(xiàn)了更多高性能中溫區(qū)熱電材料, 如方鈷礦、黝銅礦、BiCuSeO、類(lèi)液態(tài)材料等, 這些中溫區(qū)熱電材料往往都具有較高的熱電性能. 3) 950 K 以上的高溫?zé)犭姴牧? SiGe 合金自20 世紀(jì)50 年代末被發(fā)現(xiàn)以來(lái), 便成為在高溫區(qū)工作發(fā)電的主要熱電材料, 目前最高ZT值在1173 K 下可達(dá)1.5. 此外, half-Heusler 合金展現(xiàn)出了卓越的高溫?zé)犭娦阅? 其p 型FeNbSb 基熱電材料在1200 K 時(shí)ZT值可達(dá)1.6. 目前不同溫區(qū)的熱電材料諸如Bi2Te3, Mg3Sb2, SnSe, PbTe, PbS, CoSb3, BiCuSeO, SnTe, GeTe, Cu2Se,half-Heusler 及SiGe 合金等, 不少熱電材料的ZT值均已超過(guò)1.5, 甚至超過(guò)2.0.

鑒于熱電材料領(lǐng)域關(guān)鍵物理科學(xué)問(wèn)題研究的緊迫性, 受《物理學(xué)報(bào)》編輯部委托, 我們邀請(qǐng)了國(guó)內(nèi)部分活躍在該領(lǐng)域前沿的中青年專(zhuān)家撰稿, 較為全面、深入地探討了該領(lǐng)域最新研究成果以及基礎(chǔ)物理科學(xué)問(wèn)題. 本次專(zhuān)題包括五個(gè)方面的內(nèi)容. 1) MAX 及其衍生MXene 相碳化物熱電性能調(diào)控. 主要綜述了近些年MAX 相及其衍生MXene 相材料在制備技術(shù)和熱電性能的發(fā)展現(xiàn)狀, 并針對(duì)MXene 相材料的特性提出了一些改善熱電性能的可行性方案, 展望了MAX 相以及MXene材料在未來(lái)的發(fā)展方向和前景. 2) 通過(guò)Cu 插層協(xié)同優(yōu)化SnSe2層內(nèi)和層外的熱電性能. 基于SnSe2材料特殊的層狀結(jié)構(gòu), 引入額外的Cu 可穩(wěn)定存在于范德瓦耳斯間隙, 被包圍在由層間Se 所形成的四面體中心位置, 協(xié)同優(yōu)化了兩個(gè)方向的載流子濃度和 載流子遷移率, 從而證實(shí)了SnSe2作為層狀熱電材料的發(fā)展?jié)摿? 3) 高性能Bi2Te3基熱電薄膜的可控生長(zhǎng). 利用磁控濺射法制備了一系列n 型Bi2Te3基薄膜, 研究襯底溫度和工作壓強(qiáng)對(duì)薄膜生長(zhǎng)模式的影響規(guī)律, 通過(guò)濺射參數(shù)精確調(diào)控薄膜的形貌、結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)取向, 制備出層狀生長(zhǎng)的高質(zhì)量致密薄膜, 克服了n 型Bi2Te3基薄膜材料難以匹配p 型Bi2Te3基薄膜材料的困難. 4) 二維共價(jià)鍵子結(jié)構(gòu)Zintl 相熱電材料. 主要綜述了性能突出的CaAl2Si2結(jié)構(gòu)1-2-2 型、原胞內(nèi)原子較多本征低熱導(dǎo)率的9–4+x–9 型、具有天然空位而本征熱導(dǎo)率極低的2-1-2 型、以及電性能相對(duì)較好的ZrBeSi 結(jié)構(gòu)1-1-1 型Zintl 相的研究進(jìn)展.5) 黃銅礦CuGaTe2熱電性能優(yōu)化. Ni 原子可有效替代CuGaTe2材料中Cu 的位置, 并引起載流子濃度下降和遷移率提升, 摻雜后費(fèi)米能級(jí)附近態(tài)密度的提升是Seebeck 系數(shù)顯著增強(qiáng)的主因, 最終ZT值在873 K 可達(dá)1.26, 因此證實(shí)磁性元素?fù)诫s是提升熱電性能的有效手段. 以上五個(gè)方面的熱電材料研究, 從不同材料、不同視角探討了熱電材料的最新進(jìn)展、問(wèn)題、現(xiàn)狀以及展望. 希望本專(zhuān)題能為國(guó)內(nèi)熱電材料及應(yīng)用物理領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流做一些貢獻(xiàn), 進(jìn)一步促進(jìn)該研究領(lǐng)域的發(fā)展.