1 1.大连理工大学 材料科学与工程学院, 辽宁省凝固控制与数字化制备技术重点实验室, 大连 116024
2 2.大连理工大学宁波研究院, 宁波 315000
CaTiO3是一种新兴的高温氧化物热电材料, 但多种元素掺杂对其微观结构与热电性能的影响规律尚不清晰。本研究采用水热法结合真空热压烧结分别制备了Cr、Nb、Eu、Dy、Ce与La六种不同元素掺杂的CaTiO3多晶块体样品。Cr掺杂导致大量纳米级Cr相析出, 由于基体中施主元素含量过低, 功率因子严重损失, 其ZT仅为0.012(983 K)。Eu掺杂并未为基体提供施主载流子, 导致ZT提升不明显, 仅为0.141(1031 K)。Nb掺杂导致高热导的微米级Nb相析出, 热导率上升, 但基体中Nb含量较多为基体提供了载流子, 使其ZT有明显改善, 达到0.263(1013 K)。Dy、Ce与La掺杂则既提供载流子又作为点缺陷散射声子, 既提高了功率因子又降低了晶格热导率, 极大地提升了热电性能, ZT在1031 K分别达到0.357、0.398、0.329, 比纯CaTiO3(0.096)分别提升了296%、342%、265%。其中, Dy掺杂的样品在整个温度测试范围内具有最低的晶格热导率和较高的功率因子, 通过调控Dy含量与晶界处富集第二相的含量, 可以解耦电和热传输性能, 有望刷新目前CaTiO3的ZT记录。本研究揭示了多种元素掺杂条件下CaTiO3的成分-结构-性能联系, 为其在高温热电领域的应用提供了理论支撑。
CaTiO3 氧化物热电材料 微观结构 元素掺杂 CaTiO3 oxide thermoelectric material microstructure element doping
1 1.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉430070
2 2.武汉理工大学 纳微结构研究中心, 武汉 430070
3 3.中国电力科学研究院有限公司 储能与电工新技术研究所, 北京100192
4 4.国网北京市电力公司电力科学研究院, 北京100075
Bi2Te3基化合物是目前得到广泛商业应用的热电材料, 其湿热稳定性直接影响着热电器件的服役可靠性。本工作探究了商用n型Bi2Se0.21Te2.79和p型Bi0.4Sb1.6Te3热电材料存储于85 ℃, 85% RH（相对湿度）湿热环境600 h期间的降解行为。在湿热处理600 h后, n型Bi2Se0.21Te2.79和p型Bi0.4Sb1.6Te3材料表面均被氧化, 反应过程分别为Bi2Te3+O2→Bi2O3+TeO2和Bi2Te3+Sb2Te3+O2→Bi2O3+Sb2O3+TeO2。氧化过程在材料内部产生了纳米级孔洞, 甚至微裂纹, 导致材料的电、热性能全面劣化。在室温时, n型Bi2Se0.21Te2.79材料的电导率从存储前的9.45×104 S·m-1显著下降到7.79×104 S·m-1, ZT则从0.97下降至0.79; p型Bi0.4Sb1.6Te3材料的Seebeck系数从243 μV·K-1明显减小至220 μV·K-1, ZT则从1.24降低到0.97。综上所述, Bi2Te3基热电材料的湿热稳定性极差, 微型热电器件在服役过程中需要进行严格封装, 以阻止热电材料自身与环境中的水汽、空气发生复杂的氧化还原反应。
Bi2Te3 热电材料 湿热稳定性 Bi2Te3 thermoelectric material hygrothermal stability
中国石油大学(北京)能源交叉学科基础研究中心，油气光学探测技术北京市重点实验室，北京 102249
具有低晶格热导率的稀土硫族化合物Y2Te3是一种非常有前途的新型热电材料，施加应变是调控热电材料热电性能的有效手段。本文采用第一性原理方法结合半经典玻尔兹曼输运理论，通过施加-4%到4%的应变对Y2Te3材料的热电性能进行应变调控。研究表明，施加压缩应变对Y2Te3材料热电性能的提高优于施加拉伸应变。300 K下p型Y2Te3的最大功率因数由0.4 mW·m-1·K-2提升到1.6 mW·m-1·K-2，n型Y2Te3在压缩应变下最大功率因数由8 mW·m-1·K-2提升到11 mW·m-1·K-2。300 K下p型Y2Te3在应变调控下最大热电优值ZT由0.07提升到0.15，n型Y2Te3在压缩应变下最大热电优值ZT由0.7提升到0.9。因此，n型Y2Te3具有非常优异的热电性能，通过施加应变可以有效调控Y2Te3材料的热电性能，n型Y2Te3具有作为热电材料的巨大潜力。
热电材料 应变 热电性能 硫族化合物 第一性原理 thermoelectric material strain thermoelectric property Y2Te3 Y2Te3 chalcogenide first-principle
1 西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室，陕西 西安 710043
2 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室，广东 广州 510640
3 广东工业大学物理与光电工程学院，广东 广州 510006
微纳热电纤维兼具块体热电材料的优异性能和柔性纤维的结构特点，其在能量转换、热电制冷、温度传感、热管理、热成像等领域具有广阔的应用前景，已成为柔性热电转换领域的研究热点之一。介绍微纳热电纤维的概念和特点；总结微纳热电纤维的化学沉积和物理热拉等制备方法，对比和阐述不同种类的微纳热电纤维的重要性能和应用，对微纳热电纤维的未来发展方向进行分析和展望。
微纳热电纤维 柔性热电材料 化学沉积法 物理热拉法 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316012
1 苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215123
2 浙江大学机械工程学院，流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江 杭州 310027
随着可穿戴电子技术的发展，柔性热电器件由于可持续供电能力、可弯曲形变性及便携性等特点成为穿戴能源设备领域的研究热点。然而，目前柔性热电器件存在拉伸性低、透气性缺乏、功能集成性差等问题，限制了其在穿戴设备中的有效应用。一维结构的纤维基可拉伸热电器件具有尺寸小、轻质、可形变性强、可编织等特点，能够实现穿戴织物的集成和人体热能的持续收集。综述可拉伸纤维基热电器件的材料、结构及制备方法，进一步讨论其在自供电传感、热能收集和热电致冷方面的应用，最后对纤维基热电器件的发展前景作出展望，并指出目前存在的关键挑战和难题。
热电材料 可拉伸热电纤维 热能收集 传感 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316010
沈阳工业大学材料科学与工程学院, 沈阳 110870
利用高真空磁控溅射技术, 通过高纯Mg靶和自制Mg-Bi-Sn合金靶的顺序溅射沉积, 制备了Mg3Bi2/Mg2Sn纳米复合薄膜。沉积薄膜的晶体结构和相组成由X射线衍射(XRD)图谱确定, 表面形貌和化学成分用场发射扫描电子显微镜(FESEM)和能谱仪(EDS)进行观察、测量和分析。沉积薄膜的载流子浓度和迁移率通过霍尔实验获得, 电导率和Seebeck系数由Seebeck/电阻测试分析系统进行测量。结果表明, 沉积薄膜由Mg3Bi2和Mg2Sn两相组成, 随着薄膜中Mg2Sn含量的增加, 沉积薄膜的室温载流子浓度增加而迁移率下降。在整个测试温度范围内, 随薄膜中Mg2Sn含量的增加, 薄膜Seebeck系数不断升高而电导率下降。Mg2Sn相原子含量为28.22%的沉积薄膜在155 ℃获得最高功率因子为1.2 mW·m-1·K-2。在Mg3Bi2薄膜中加入适量的Mg2Sn第二相, 可明显提升Mg3Bi2薄膜材料的功率因子。
热电材料 Mg3Bi2/Mg2Sn纳米复合膜 Seebeck系数 相界面 载流子浓度 迁移率 电导率 thermoelectric material Mg3Bi2/Mg2Sn nanocomposite film Seebeck coefficient phase interface carrier concentration mobility conductivity
1 1.大连理工大学 材料科学与工程学院, 辽宁省凝固控制与数字化制备技术重点实验室, 大连116024
2 2.大连理工大学 三束材料改性教育部重点实验室, 大连116024
ZrNiSn基half-Heusler热电材料具有较高的热导率, 限制了其热电性能进一步提高。为了降低晶格热导率, 本研究采用磁悬浮熔炼和放电等离子烧结的方法制备ZrNiSn和Zr0.5Hf0.5Ni1-xPtxSn (x=0, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3)高熵half-Heusler热电合金。在Zr位进行Hf原子替代, Ni位进行Pt原子替代以调控该合金的构型熵, 并研究构型熵对热电性能的影响。本工作优化了Zr0.5Hf0.5Ni0.85Pt0.15Sn在673 K的最小晶格热导率和双极扩散热导率之和为2.1 W·m-1·K-1, 与ZrNiSn相比降低了约58%。这一发现为降低ZrNiSn基合金的晶格热导率提供了一种有效的策略, 有助于改善材料的热电性能。
高熵 half-Heusler合金 热电材料 晶格热导率 high entropy half-Heusler alloy thermoelectric material lattice thermal conductivity
金属硫化物Ag2S具有优异的物理化学性能, 在催化、传感及光电子等领域具有广阔的应用空间。本工作利用一种区熔技术制备了尺寸为?18 mm×50 mm的Ag2S并对其潜在热电性能进行了研究。Ag2S在450 K以下具有标准的α-Ag2S单斜P21/c结构, 450 K以上发生相变成为立方β-Ag2S相。Ag2S在300~650 K范围始终具有负的Seebeck系数而呈现n型半导体特征, 这主要是因为材料中存在Ag间隙离子而提供了多余电子。Ag2S的Seebeck系数在室温下约为-1200 μV·K-1, 440 K时降为-680 μV·K -1, 当转变为β-Ag2S后则大幅降至~-100 μV·K-1。α-Ag2S的电导率几乎为零, 然而在刚发生β-Ag2S相变(450 K)时, 电导率突然增加至~40000.5 S·m-1, 而后随着温度持续升高, 其值在650 K降低为33256.2 S·m-1。霍尔测试表明Ag2S的载流子浓度nH在相变时可从~1017 cm-3迅速增加到~1018 cm-3量级。α-Ag2S和β-Ag2S的总热导率κ几乎是常数, 分别为~0.20和~0.45 W·m-1·K-1。最终Ag2S在580 K获得最大ZT值0.57, 说明它是一种很有发展潜力的中温热电材料。
Ag2S 区熔 热电材料 相转变 Ag2S zone melting thermoelectric material phase transition
南京理工大学 材料科学与工程学院, 南京 210094
MnTe作为一种新型的无铅p型热电材料, 在中温区热电领域具有广阔的应用前景, 但其本身的热电性能不足以与高性能n型热电材料相匹配。本研究通过真空熔炼-淬火和放电等离子烧结的方法制备不同Ge掺杂量的致密且均匀的Mn1.06-xGexTe(x=0, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04)多晶块体样品。过量的Mn可以有效抑制MnTe2相, 提高基体相的热电性能。通过掺杂4%Ge粉末, 材料的载流子浓度提高到7.328×1018 cm-3, 电导率在873 K增大到7×103S∙cm-1, 功率因子提升至620 μW∙m -1∙K-2。同时, 通过点缺陷增强声子散射使材料的热导率降低到0.62 W∙m-1∙K-1, 实现了对材料电声输运性能的有效调控。Mn1.02Ge0.04Te在873 K获得了0.86的热电优值ZT, 较纯MnTe材料提高了43%。
MnTe热电材料 Ge掺杂 载流子浓度 晶格热导率 MnTe thermoelectric material Ge doping carrier concentration lattice thermal conductivity
中国科学技术大学 工程科学学院, 近代力学系, 材料力学行为与设计重点实验室, 合肥 230026
PbTe在中温区热电材料中广受关注, 然而, n型PbTe因其较低的载流子浓度和复杂的能带结构, 其热电性能难以大幅提升。本研究通过分步式添加PbS、Sb2Se3组元以调控n型PbTe基体的热、电传输性能。研究发现, PbS与Sb2Se3组元可分别提升功率因子和降低热导率。通过扩大带隙、增加点缺陷、第二相弥散等途径可改善能带, 加剧散射, 从而有效提升热电优值ZT。其中(PbTe)0.94(PbS)0.05(Sb2Se3)0.01表现出最佳的热电性能, 700 K时ZT最大值为1.7, 且ZT平均值较PbTe基体显著提高, 这表明分步式双组元调控可为改善其它材料体系的热电性能提供技术途径。
