穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置(SHMFF)用戶南京理工大學(xué)唐國棟教授研究組利用強(qiáng)磁場原位水熱合成SnSe熱電材料,實(shí)現(xiàn)了對材料微結(jié)構(gòu)的調(diào)控,顯著提升其熱電性能,說明利用強(qiáng)磁場調(diào)控?zé)犭姴牧衔⒔Y(jié)構(gòu)及其電子聲子輸運(yùn),對于優(yōu)化熱電材料性能十分有效。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際著名期刊Journal?of?Materials?Chemistry?A?(2019,?7,?15757-15765)上。?
熱電材料是實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料,用熱電材料制成的溫差發(fā)電裝置和制冷裝置具有無需傳動部件、運(yùn)行安靜、尺寸小、無污染等諸多突出優(yōu)點(diǎn),在溫差發(fā)電和便攜式制冷等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。研發(fā)具有高熱電性能材料進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)熱電材料規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。國家、行業(yè)和企業(yè)對熱電新技術(shù)的需求十分迫切。決定熱電材料性能的重要參數(shù)是熱電優(yōu)值(ZT),其大小由Seebeck系數(shù)(S)、電導(dǎo)率(σ)和熱導(dǎo)率(k)共同決定。目前,對熱電材料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控是提高熱電性能的有效手段,而磁場是對物質(zhì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控的一種重要手段。?
在眾多體系的熱電材料中,SnSe基化合物具有熱電性能較高、元素?zé)o毒性、來源豐富、成本低等優(yōu)勢,是極具發(fā)展前景的一類熱電材料。唐國棟課題組采用強(qiáng)磁場原位水熱合成技術(shù)制備出了Se量子點(diǎn)/Sn0.99Pb0.01Se納米材料,研究了磁場對材料微結(jié)構(gòu)及其熱電性能的影響。研究人員分兩步制備材料,首先在不同的磁場下(零場,?5T,?9T)進(jìn)行水熱合成,然后用放電等離子體燒結(jié)。在高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)的表征中發(fā)現(xiàn)(圖1),磁場能夠?qū)Σ牧系奈⒔Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯影響:其一,磁場引起晶粒尺寸的減??;其二,磁場能夠?qū){米析出相的形狀、尺寸和空間分布產(chǎn)生明顯影響(5T磁場下合成的樣品中納米析出物呈球狀,均勻分布,而零磁場下合成的樣品中納米析出物形狀不規(guī)則,主要分布在晶界附近);更重要的是,磁場還導(dǎo)致Se量子點(diǎn)的形成。針對微結(jié)構(gòu)的變化,通過對磁場下成核自由能的分析進(jìn)行了很好的說明(圖2)。?
磁場下合成的樣品的Seebeck系數(shù)大幅提高(圖3a),這主要?dú)w因于Se量子點(diǎn)的出現(xiàn)引起電子結(jié)構(gòu)的變化。紫外光電子能譜(UPS)測量表明,Se量子點(diǎn)導(dǎo)致費(fèi)米能(Ef)附近具有更大的電子態(tài)密度,從而提高了材料的Seebeck系數(shù)和功率因子。另一方面,磁場下合成的樣品中Se量子點(diǎn)、更小的晶粒尺寸、納米析出相使其具有極低熱導(dǎo)率。通過強(qiáng)磁場調(diào)控?zé)犭姴牧系碾娐曒斶\(yùn),使得磁場下合成的樣品熱電優(yōu)值顯著增加,最大ZT約為2.0,與零場下制備的樣品相比,最大增幅達(dá)到了47%,這說明強(qiáng)磁場是提高熱電性能的有效手段。?
該研究成果為熱電材料的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了新思路,推動了新型高性能熱電材料的研發(fā)與應(yīng)用。?
文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c9ta03967h。
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圖1?高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖像,(a–c)5T磁場下合成樣品,(d–f)零場樣品
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圖2?磁場影響晶粒生長及Seebeck系數(shù)提升示意圖
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圖3?不同磁場下合成Sn0.99Pb0.01Se樣品的Seebeck系數(shù)(a)和熱電優(yōu)值ZT(b)