黃銅礦Cu1–xNixGaTe2 熱電輸運性質的優化*

黃露露 張建 孔源 李地 辛紅星 秦曉英?

1) (中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所, 能源材料與器件制造研究部, 合肥 230031)

2) (中國科學技術大學研究生院科學島分院, 合肥 230026)

3) (首爾大學化學與生物工程學院, 首爾 08826)

4) (中國科學技術大學化學物理系, 合肥物質科學微尺度國家實驗室, 量子信息與量子物理協同創新中心, 合肥 230026)

(2021 年6 月21 日收到; 2021 年9 月9 日收到修改稿)

1 引 言

當今, 日益劇增的能源需求使得全球性能源危機問題不得不引起重視, 且環境污染問題也由于傳統化石能源的使用(煤炭、石油、天然氣等)變得越來越嚴重[1]. 熱電材料在這一背景下迅速吸引了很多研究人員的興趣, 成為極具吸引力的新型清潔能源材料之一[2-5]. 它可以憑借其載流子和聲子的定向輸運來實現從廢熱中收集電能, 同時, 也能可逆地將電能轉換為熱能[6,7].

通常, 人們用無量綱的ZT值來衡量熱電材料性能的優劣, 可以表示為[8]

其中S是Seebeck 系數,T是絕對溫度,ρ是電阻率, σ是電導率, κ是熱導率,κc是載流子熱導率,κL是晶格熱導率. 另外, 人們也用功率因子PF ( =S2/ρ)來定義熱電材料的電學輸運性質. 根據ZT值的公式可以發現, 提升樣品熱電性能(ZT值)的方式有很多種. 例如, 可以通過優化載流子濃度或優化載流子遷移率增強樣品的電導率; 可以通過能帶展平、能帶簡并、能量過濾效應和能級共振等手段提升樣品的Seebeck 系數; 也可以通過多尺度聲子散射、尋找本征低熱導材料等手段抑制材料的晶格熱導率……