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南科大刘玮书课题组在高功率因子的Mg基室温热电材料获得重要进展

作者: Research编辑部

时间: 2020-04-14 18:35

南方科技大学材料科学与工程系刘玮书课题组,与南科大物理系张文清教授和黄丽教授合作揭示了基于电子输运通道保护思想的功率因子增益策略,并在Mg3+δSb1.0Bi1.0:Mn0.01材料中实现室温下功率因子最高达约3500 μW m-1K-2,室温ZT达到0.75。在50-250℃的温度范围的整体热电性能已经媲美经典的N型室温热电材料Bi2Te2.7Se0.3。高功率因子有助于热电材料在温差发电应用过程中实现更高的功率密度。相关工作以“The Electronic Transport Channel Protection and Tuning in Real Space to Boost the Thermoelectric Performance of Mg3+δSb2-yBiy near Room Temperature”为题发表在Research上(Research, 2020, 1672051,DOI: 10.34133/2020/1672051)。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2020/1672051/

研究背景

传统的经典的碲化铋基室温热电材料是目前唯一被商业化量产应用的热电材料,主要应用于固态制冷。然而该材料含有元素丰度极低的Te元素,以及力学性能不佳的缺点。自上世纪60年代被发现以来,一直被工业界沿用至今,但一直没有可替代的材料。随着物联网技术发展,物联网设备环境自供能需求和5G通讯芯片的散热都对新型高性能的室温热电材料提出了新需求。高性能的低温区(高温端<300℃)热电材料被列为2018年国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”之一 。

研究进展

Mg3Sb2是一种近年来高度被关注的新型中温区热电材料,因为其不含有贵重元素力学性能和加工性能优良。2018年,南方科技大学刘玮书课题组报道了通过间隙掺杂过渡金属Mn有效抑制该材料中Mg空位的形成,使Mg3+δSb1.5Bi0.5:Mn0.01的室温电导率大幅提升,进而使该材料的在50-250 oC的整体热电性能指标(平均优值(ZT)avg与工程优值(ZT)eng)与经典的N型Bi2Te2.7Se0.3相媲美(AFM,2018,201807235)。
然而,南科大刘玮书副教授说:“对于温差发电应用而言,以物联网设备环境自供能需求为例子,工业界真正所关系是热电器件输出功率和电压,因此热电材料仅具有高的热电优值不够,还需要具有高的功率因子PF”。Mg3+δSb1.5Bi0.5:Mn0.01的室温功率因子仅 2200μW m-1K-2, 远低于经典的N型Bi2Te2.7Se0.3
南科大刘玮书课题组与张文清,黄丽课题组合作,对Mg3Sb2-yBiy材料体系进一步理论分析。通过第一性原理计算表明,倒易空间中导带底的电子有效质量与实空间Mg3(Sb, Bi)2中Mg1-Mg2原子间距以及两原子3s电子的重叠相关联,当晶格产生拉应变,Mg1-Mg2距离被拉长,导带底电子有效质量会减小。实验上,通过在阴离子位置引入合金化原子Bi,拉长Mg1-Mg2原子间距,实现了载流子有效质量的下降,获得了高载流子迁移率(如图1所示)。

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图1 通过调节Mg1-Mg2间距改变导带底电子有效质量

该工作详细阐述了由于实空间中Mg-Mg化学键构成的电子输运通道,并远离阴离子位置,使得Mg3Sb2-yBiy材料体系中合金化原子散射声子降低晶格热导率的同时对电子散射较弱,有利于实现电热输运的解耦与分别调控。最终,南科大的研究人员成功实现Mg3Sb2-yBiy材料体系室温功率因子的进一步提升,并在Mg3+δSb1.0Bi1.0:Mn0.01材料中实现室温下功率因子最高达约3500 μW m-1K-2,室温ZT达到0.75(如图2所示)。就在50-250℃的温度范围内得整体热电性能而言,Mg3+δSb1.0Bi1.0:Mn0.01获得了(ZT)avg= 1.13, (PF)avg = 3184 μW m-1K-2, (ZT)eng = 0.56,和(PF)eng = 0.63 W m-1K-1。在转换效率与输出功率两方面均与传统商用n型Bi2(Te, Se)3热电材料相媲美(如图2和3)。

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图2  Mg3+δSb2-yBiy的功率因子,热电优值ZT和50~250℃的工程功率因子

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图3  N型Mg3(Sb, Bi)2材料与Bi2(Te, Se)3材料的平均ZT值和平均功率因子

南科大物理系黄丽教授特别提到,“第一性原理计算是一种非常有用的工具,在阐明热电材料的电、热输运机理能方面发挥重要的作用,为新型热电材料的发现提供非常有价值的指导”。南科大研究人员在该项工作中所揭示的基于电子输运通道保护的思想,通过实空间化学键与倒易空间中带边有效质量相关联的功率因子增益策略对于未来高功率因子热电材料的优化有重要指导意义。

未来展望

Mg3+δSb1.0Bi1.0:Mn0.01作为一个新型的室温热电材料,其在功率因子,热电优值,断裂韧性等各项指标均已媲美N型室温热电材料Bi2Te2.7Se0.3,值得热电材料工业界的关注。对于热电发电应用,高功率因子将成为热电材料发展的重要方向。

作者简介

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刘玮书博士现任南方科技大学材料科学工程系副教授,在美国华盛顿大学、波士顿学院、休斯顿大学、Sheetak 公司从事热电材料与器件等方面的研究,目前已在PNAS、Nat. Energy、Energy Environ. Sci.、AEM、AFM、Nano Energy、Acta Mater.等学术期刊发表学术论文90余篇,论文总引用超过5000 次,H 指数36。刘玮书副教授目前的研究主要方向为,室温热电材料与器件关键技术,及其在物联网自供能与电子皮肤方面的应用研究。
刘玮书博士还担任中国材料研究学会热电材料及应用分会理事会理事,深圳市微纳米技术学会理事,英国物理学会IoP旗下杂志 Nanotechnology 的咨询委员会成员,获2019年首届腾讯“科学探索奖”。

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