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伪二元纳米复合薄膜绝缘-金属转变助力实现超高热电性能
作者: irglass 时间: 2020-12-13 浏览:1,064 次

      近日,我室热电研究团队的研究论文 “High thermoelectric performance in ZnSb-SnTe pseudo-binary materials”,在国际著名期刊Scripta Materialia  2021, 194: 113670, https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2020.113670发表(中科院SCI期刊分区( 2020年01月最新升级版)大类1区)。论文第一作者和通讯作者为我室青年教师王国祥副研究员,合作作者为德国莱布尼茨表面改性研究所Andriy Lotnyk教授。这是双方继2020年实现热电材料电导类型 p-n转变(NPG Asia Materials (2020) 12:17)后,在热电领域合作发表的第二篇高级别水平论文。

      热电转换技术利用热电材料直接将热能与电能进行相互转换,该技术具有无噪声、无污染和可靠性高等优点,在工业余废热回收利用、便携式制冷、可穿戴电子器件如智能手环、电子皮肤和心脏起搏器等领域具有广泛的应用。高效热电转换技术首先需要高性能的热电材料,其性能优值取决于材料的赛贝尔系数、电导率、热导率。当前,研究人员主要采用能带工程、元素和调制掺杂、合金化、能量过滤效应和磁场效应等方法,调控热电材料的功率因子(PF =S2σ)来提高其热电性能。尽管在块状热电材料的研究上取得了明显的进展,但具有高功率因数的低维薄膜,如Bi2Te3 (300μWm-1K-2),Bi2Te2.7Se3 (1870μWm-1K-2)和Cu-Ag2Se (2231.5 μWm-1K-2)等薄膜因可应用于柔性电子器件也引起了很多关注。

      本研究工作中研究人员集中关注具有动态相变特征的传统ZnSb热电材料及其复合SnTe材料进行性能调控,实现纳米尺度下微观结构设计及可控制备,通过热处理工艺调控相变过程中纳米金属相SnSb析出,实现无序度依赖的绝缘-金属转变(IMT)如图1,发现了材料动态相变过程中的IMT特性可导致异常高的热电性能,实现了利用IMT特性调控电输运。27.3 at%的SnTe掺杂将相变温度降低至大约214°C,并在(ZnSb)72.7(SnTe)27.3薄膜中实现了IMT行为。在相变过程中Sn原子扩散到ZnSb中,从而在非晶基质中形成SnSb纳米微晶。该相表现出具有动态临界特性的典型IMT,伴随着化学成分,成核模式改变和相界的大幅波动。在形成纳米复合结构过程中发生了纳米晶沉淀和结晶行为转变。这些特征直接影响载流子浓度显著提高电导率和塞贝克系数,从而在300°C时产生3383μWm-1K-2的高功率因子如图2,该材料有望在柔性电子器件等领域发挥重要作用。IMT相变中金属相呈现的超高热电功率因子的发现有望在提升输运性能的同时揭开临界相变过程中热电性能提高的物理新机制。

Fig.1 Temperature coefficient of the resistivity (TCR) upon annealing for (a) ZnSb, (b) (ZnSb)72.7(SnTe)27.3, and (c) (ZnSb)66.6(SnTe)33.4 films. In (b), the temperature coefficient evolves from nonmetallic behavior (dρ/dT < 0) to metallic behavior (dρ/dT > 0) in the intermediate temperature range; the gray region in (b) represents the insulator–metal transition point (dρ/dT = 0).

Fig. 2 (a) Change in the carrier concentration n and Hall mobility µ of (ZnSb)x(SnTe)y films as a function of annealing temperature; (b) conductivity σ, (c) Seebeck coefficient S, and (d) power factor (PF) of as-deposited amorphous (ZnSb)x(SnTe)y films as a function of heating temperature.  

  该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目(62074089)、浙江省自然科学基金(LY20F040002)、宁波市自然科学基金(2019A610059)、宁波大学王宽诚幸福基金等项目的大力支持。