碲化錫熱電轉換材料領域取得進展

太原理工大學材料科學與工程學院王文先教授團隊利用吉布斯界面吸附有效抑制納米析出相粗化，從而獲得了一種熱穩定型高性能碲化錫基熱電材料，并揭示出一種界面相調控熱電輸運行為的新機制。

基于Seebeck效應的熱電轉換技術可以在給定溫差下利用載流子的定向移動實現熱能與電能的直接相互轉換，其在低品質環境余廢熱回收領域具有巨大的應用前景。高性能的熱電材料需兼具高導電性和低導熱性，但由于各電學參量強烈耦合，通過缺陷工程策略降低唯一單獨可調的熱學參量晶格熱導率，成為優化熱電材料性能的重要方向。

熱電材料納米化在過去幾十年里被廣泛認為是解耦熱電輸運參數的有效途徑。根據經典成核理論，納米析出相的密度和尺寸分布與成核速率及其溫度和時間依賴性密切相關，傳統觀點認為通過熱處理工藝便可對析出形貌進行有效調控。但在實際服役過程中，由于過飽和固溶體中奧斯特瓦爾德熟化現象的存在，分布有高密度納米相的多組元合金系統在熱力學上總是不穩定的，納米析出相需經歷粗化過程釋放自身的表面自由能方可達到最低的能量配置。

受到吉布斯吸附降低界面自由能從而抑制奧斯特瓦爾德熟化的啟發，研究人員在中溫區熱電材料碲化錫中設計并構筑了一種新穎的核殼結構納米析出相，其中核部為CdTe相而殼部為結構有序但化學無序的富Ag界面相。這種界面相一方面降低了界面自由能，另一方面引入了一維類晶界與零維類點缺陷散射源，導致材料的晶格熱導率在整個溫度區間(300～873 K)大幅下降。結合Ag、Cd、Se共摻雜SnTe增強的電學輸運性能，p型SnTe合金的熱電優值最終可以穩定達到1.5。

此研究深刻揭示了熱電系統穩定納米相的熱力學機制，對納米熱電材料的設計有著指導意義。

(來源：中國科學報)