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南科大物理系何佳清团队在热电材料领域取得一系列成果

2019-03-20 科研新闻

近期,南方科技大学物理系教授何佳清以通讯作者身份分别在期刊《Advanced Functional Materials》、《Nature communications》和《Journal of Material Chemistry A》上连续发表了三篇学术论文。

第一篇论文题为《High Thermoelectric Performance Achieved in GeTe–Bi2Te3 Pseudo-Binary via van der Waals Gap-Induced Hierarchical Ferroelectric Domain Structure》,主要研究GeTe热电材料。物理系原研究助理教授吴笛(现陕西师范大学教授)与研究副教授谢琳为论文共同第一作者。

图1 GeTe中范德华间隙诱导的铁电畴模型以及其对热电性能的优化

何佳清团队在此项工作中,通过制备合适比例的Bi2Te3与GeTe的合金,人为地向体系中引入了大量的Ge空位缺陷,且如图所示,运用球差矫正电子显微镜的观测技术可以清楚地观测到这些Ge空位的前驱体空位“簇”。通过合适的热处理优化过程,研究人员还追踪到此类前驱体逐步演化成van der Waals gap空位面缺陷的过程。这些面缺陷会在材料内部诱导产生大量呈负电性的新的180度铁电畴结构,平衡材料内由载流子浓度过高导致的过剩的正电性,最终达到优化材料性能的目的。最终,该项工作使得GeTe基热电材料的总体性能大幅提升,在温度达到773K时,该体系热电材料优值ZT达到了2.4,相比于优化前,提升了60%;在323~773K较宽的工作温度区间内,材料的平均ZT高达1.28,相比于优化前整整提升了一倍,达到了中温区热电材料在商业应用中对性能的需求,使其成为中温区优良的候选材料。

第二篇论文题为《High performance n-type Ag2Se film on nylon membrane for flexible thermoelectric power generator》,主要研究柔性材料。同济大学丁宇飞为论文第一作者,该论文主要与蔡克峰教授课题组合作发展了一种独特的研制柔性热电材料的方法:采用湿化学法制备硒化银纳米线,然后真空抽滤沉积到柔性的尼龙滤膜上,再低温热压获得了高性能的n型复合薄膜。硒化银膜室温的功率因子约为987 mW/ m K2(ZT值约为0.6),是至今报道的n型柔性热电薄膜中最高值之一;以此复合膜设计的4个单臂组成的原型器件在30 K温差下输出功率460 nW (功率密度约为2.3 W /m2)。同时,因为硒化银膜(由大长径比的纳米晶相互交织而成)与尼龙膜的协同作用,复合膜具有很好的柔性(绕直径10 mm的圆棒弯曲100次后电导率仍然保持原先的92%)。该方法为制备柔性的高性能热电薄膜提供了新的思路。

图2 高性能Ag2Se/尼龙柔性复合热电膜的制备及性能

第三篇论文题目为《Achieving a Fine Balance between Strong Mechanical and High Thermoelectric Properties of n-type PbTe-3%Sb Materials by Alloying PbS》, 主要聚焦在PbTe热电材料。物理系博士后付良威为论文第一作者。目前p和n型PbTe材料都拥有了非常高的热电优值。然而,PbTe材料的机械性能差,远低于其他主流的热电材料。比如,PbTe材料的洛氏硬度和抗冲击韧性分别只有39 kgmm-2和0.35 MPam1/2,远低于Bi2Te3的。这一矛盾非常不利于PbTe材料的实际应用。何佳清团队之前在n型PbTe材料中加入单质Sb,得到PbTe-3%Sb复合材料,显著提高了热电性能 (Energy and Environmental Science, 2017,10,2030)。本文在之前工作的基础上,进一步采用了固溶PbS的方法,将n型PbTe-3%Sb材料的硬度提高了60%,而其热电优值仅仅降低了6%。这一结果使PbTe材料摆脱了当前的窘境。研究发现固溶PbS(<12.5%)虽然对弹性性质如弹性模量等参数影响很小,却可以引入大量的点缺陷和位错网。因此硬度的增强主要是由于缺陷对位错运动的阻碍,而非化学键的强化作用。之前的观点认为是固溶PbS之后,PbTe材料内部的成分波动(团簇)造成了硬度显著增强。该团队的发现从一个新的视角解释了PbTe-PbS合金体系硬度的强化。

图3 PbTe1-xSx-3%Sb-I0.004材料的结构示意图、显微硬度和ZT

这些工作的开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金重大培育项目、广东省“珠江人才计划”领军人才和深圳市孔雀团队等专项基金的大力支持。

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.201806613 
                        https://doi.org/10.1038/s41467-019-08835- 
                        https://doi.org/10.1039/C9TA00400A
何佳清研究团队主页 http://jqhphy.sustc.edu.cn

供稿:物理系

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