熱電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能的直接相互轉(zhuǎn)化，在溫差制冷、溫差發(fā)電和傳感器領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。高的熱電轉(zhuǎn)換效率需要高性能的熱電材料作為支撐。納米結(jié)構(gòu)工程能夠?qū)崿F(xiàn)材料電熱輸運性能的協(xié)同調(diào)控，是獲得高性能熱電材料的重要手段。在納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱電材料中，納米第二相可以造成額外的聲子散射而降低晶格熱導(dǎo)率。而納米相和基體相形成共格結(jié)構(gòu)的界面結(jié)構(gòu)時也可降低對電子的散射作用，從而顯著優(yōu)化材料的熱電性能。
近日，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院范平教授、李甫副研究員在納米復(fù)合結(jié)構(gòu)熱電材料研究方面取得重要研究進(jìn)展。在Nature旗下高水平期刊《Nature Communications》雜志（IF：14.919）發(fā)表了題為“Homo-composition and Hetero-structure NanocompositePnmaBi2SeS2-PnnmBi2SeS2with High Thermoelectric Performance”的研究論文。該論文發(fā)現(xiàn)過量的Br摻雜將誘導(dǎo)PnmaBi2SeS­2基體相部分轉(zhuǎn)變?yōu)?em>PnnmBi2SeS­2基體相策略，原位合成具有共格界面的準(zhǔn)同成份、異結(jié)構(gòu)（hoC-heS）的納米復(fù)合材料，使材料的聲子散射顯著增強(qiáng)的同時，對電子的輸運影響甚微，從而達(dá)到優(yōu)化復(fù)合材料熱電性能的目的，使該硫化物材料熱電優(yōu)值在500oC提升到1.12。深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院的李甫副研究員、范平教授、南方科技大學(xué)劉瑋書副教授為論文的通訊作者，深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院博士后Bushra Jabar、副研究員李甫、副研究員鄭壯豪為論文的共同第一作者，深圳大學(xué)為第一完成單位。
不同于以往報道的異成份、同結(jié)構(gòu)（heC-hoS）或異成份、異結(jié)構(gòu)（heC-heS）納米復(fù)合材料，該研究利用摻雜誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變實現(xiàn)同成份、異結(jié)構(gòu)（hoC-heS）的納米復(fù)合材料，屬于一類新型的納米復(fù)合熱電材料（如圖1）。研究人員提出了一種由PnmaBi2SeS2-PnnmBi2SeS2組成的準(zhǔn)hoC-heS納米復(fù)合材料，由于兩相之間的細(xì)微結(jié)構(gòu)差異，在基體和第二相之間形成相干界面。研究發(fā)現(xiàn)溴摻雜引起了PnmaBi2SeS2到PnnmBi2SeS2的相轉(zhuǎn)變，同時實驗上觀察到的鉍-硒鍵長變化反映了PnnmBi2SeS2體系中依賴于摻雜的局部結(jié)構(gòu)紊亂，這顯著降低了晶格熱導(dǎo)率而對載流子遷移率的影響較小。通過摻雜誘導(dǎo)相變設(shè)計具有同質(zhì)組成和異質(zhì)結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料，實現(xiàn)電熱輸運性能的協(xié)同調(diào)控以增強(qiáng)熱電性能，為設(shè)計高性能納米復(fù)合材料提供了新的策略。
圖1 Bi2SeS2的納米組成和晶體結(jié)構(gòu)示意圖。(a)根據(jù)納米復(fù)合材料的基體相和納米析出相的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成差異分類的三種納米復(fù)合材料。目前大多數(shù)報道的納米復(fù)合材料屬于異成份和同結(jié)構(gòu)（heC-hoS）或異成分和異結(jié)構(gòu)（heC-heS）。(b)PnmaBi2SeS2-PnnmBi2SeS2（hoC-heS）納米復(fù)合材料內(nèi)部輸運機(jī)制的結(jié)構(gòu)和示意圖。(c-d)Bi2SeS2Pnma相在ac晶面的晶體結(jié)構(gòu)。(e-f)Bi2SeS2Pnnm相在ab晶面的晶體結(jié)構(gòu)。
項目支持：國家自然科學(xué)基金委員會，面上項目，新型N型硫化物Bi2SeS2熱電輸運特性及性能提高機(jī)理研究，No.52072248，2021.01-2024.12，69.6萬，在研，主持。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27564-2
（物理與光電工程學(xué)院 供稿）
