1 同济大学材料科学与工程学院，上海 201804
2 同济大学物理科学与工程学院，上海 201804
3 华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510641
4 香港大学机械工程学院，香港 999077
热电材料是一种可实现热能和电能直接转换的功能材料。BaBi2Se4因其较低的热导率和良好的导电性成为具有潜力的热电材料。本文以BaBi2Se4为研究对象，系统研究了材料的物相组成及电、热输运性能。研究发现，所有样品呈现出n型半导体导电特征，Te固溶能有效减少材料中Bi2Se3杂质，降低材料的载流子浓度，优化材料电学输运性能。同时，由于复杂的晶体结构，样品在全温区具有较低的晶格热导率。本工作表明BaBi2Se4是具有潜力的热电材料。
四硒化二铋钡 热电材料 电学输运性能 晶格热导率 barium bismuth selenide thermoelectric materials electronic transport properties lattice thermal conductivity
1 上海大学材料基因组工程研究院, 上海 200444
2 之江实验室, 杭州 311100
热电材料是环境友好型能源转换材料, 涉及的体系十分多样。其性能优化是一个多参数协调的复杂问题, 一直是研究者们关注的热点。虽然热电的计算模拟方法和实验方法发展迅速, 但是热电材料的搜索效率仍需要进一步提高。机器学习具有计算成本低和预测速度高的优势, 可以快速缩小搜索空间, 加快对热电材料结构和性能优化的研究。本综述从数据类型的角度出发, 介绍了热电材料中的小样本数值数据(数据量约为102), 大样本数值数据(数据量大于104)及图片数据中机器学习的应用和研究进展, 进一步详细地讨论了在不同的数据类型中研究热电材料的结构和性能所使用的不同的机器学习算法模型, 并对其未来的发展趋势和应用方向进行了展望。
热电材料 机器学习 图卷积神经网络 thermoelectric materials machine learning graph convolutional neural networks
1 1.武汉理工大学 新材料力学理论与应用湖北省重点实验室, 武汉 430070
2 2.武汉理工大学 材料科学与工程国际化示范学院, 武汉 430070
3 3.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 武汉 430070
材料的微观结构对其物理性能调控起着至关重要的作用。本研究以Yb和Al单质为原料, 采用放电等离子烧结工艺通过一步法快速合成YbAl3材料。显微结构表明, 快速制备的YbAl3材料内部含有大量微米尺度晶粒、纳米晶粒、纳米非晶带和多种原子尺度位错等丰富的多尺度微结构, 这些多尺度微结构可以同时增强YbAl3材料的电子和声子散射, 进而同时降低其晶格热导率(47%)和电子热导率(27%), 使得总热导率降低至13.4 W·K-1·m-1, YbAl3材料的最大ZT可达0.35。该研究表明, 通过一步法放电等离子烧结工艺可以快速合成具有多尺度微结构的高热电性能YbAl3块体材料。
YbAl3热电材料 一步法合成 微结构 热电性能 YbAl3 thermoelectric materials one-step synthesis microstructure thermoelectric performance
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
In2O3作为一种良好的光电和气敏材料, 因高温下具有优异的热电性能在热电领域也获得广泛关注。本研究通过固相反应法结合放电等离子烧结(SPS)成功将原位自生的InNbO4第二相引入到In2O3基体中, 优化了块体样品的制备工艺。同时, InNbO4改善了样品的电输运性能, 使载流子浓度明显提高, 在1023 K时电导率最高可达1548 S·cm-1, 高于大多数元素掺杂的样品。其中, 0.998In2O3/0.002InNbO4样品的热电性能测试表明, 在1023 K时, 其功率因子可达到0.67 mW·m-1·K-2, 热电优值(ZT)达到最高值0.187。综上所述, 通过在In2O3中原位复合InNbO4第二相可以很好地改善In2O3基热电陶瓷的电性能, 进而调控其高温热电性能。
热电材料 In2O3 InNbO4 高温热电性能 thermoelectric materials In2O3 InNbO4 thermoelectric property at high temperature
1 南京大学现代工程与应用科学学院，南京 210093
2 中国科学院材料力学行为与设计重点实验室，中国科学技术大学，合肥 230026
3 中国科学技术大学精密机械与仪器系，合肥 230026
4 南京大学人工微结构科学与技术协同创新中心，南京 210093
随着电子和能源科技的发展，基于纳米结构调控的新型热电材料以及热逻辑器件研究正受到越来越多的关注。本工作围绕几种具有应用潜力的热电材料，利用项目团队自主开发的微纳尺度热输运测试系统，从理论和实验上研究了原子及纳米尺度结构对热输运特性的调控机制，包括：全组分Si1-xGex合金薄膜的原子合金化，Bi2Ca2Co2Oy层状结构单晶的错配界面，超离子导体A0.5RhO2 (A=K, Rb, Cs)单晶的离子局域共振，准一维结构ZrTe5/HfTe5单晶中的疏松微结构，以及SnSe单晶中的SnSe2原子级插层，总结了不同尺度结构和原子间作用力对热传导性质的影响规律，为探索低热导率、高热电转换性能的新型热电材料提供有效的调控方案。最后，介绍了利用相变转换机制实现热导率高效动态调控的实验结果，及其在热逻辑器件方面的潜在应用。
热输运 热电材料 热逻辑器件 微纳结构 thermal transport thermoelectric materials thermal logic devices micro-nano structures
通过取点法得到了由Ingot法、BM法、S-MS法和Te-MS法制备的四种新型p型热电材料(Bi0.5Sb1.5)Te3的变物性参数拟合公式, 分析了温度对不同方法制备的热电材料的影响, 得到了热电材料无量纲优值与绝对温度的关系曲线。从热力学方面研究了制备工艺对基于新型热电材料的热电制冷器最大制冷系数的影响。结果表明: 由Te-MS法制备的新型p型热电材料(Bi0.5Sb1.5)Te3具有最大的优值系数, 基于该材料的热电制冷器最大制冷系数可达2.49, 较其他三种方法制备的热电材料分别提升了34.59%, 37.57%和25.76%。
制备工艺 热电材料 热电性能 制冷系数 preparation process thermoelectric materials thermoelectric properties COP
1 上海工程技术大学 材料工程学院, 上海 201620
2 东华大学 材料科学与工程学院, 纤维材料改性国家重点实验室, 上海 201620
3 东华大学 先进玻璃制造技术教育部工程研究中心, 上海 201620
在GeTe中掺杂In能够引入共振能级, 但其微观结构对热电性能的影响还不明确。本研究采用熔炼-淬火-退火并结合放电等离子体烧结(SPS)的方法制备了系列Ge1-xInxTe样品, 采用XRD、SEM、激光导热仪和热电性能分析系统(ZEM-3)对其微观结构和热电性能进行了研究。结果表明, 随着In元素的掺入, Ge1-xInxTe的晶胞体积减小、人字鱼骨结构变小、晶界增多, 导致晶格热导率降低, 获得的最低热导率为2.16 W·m -1·K -1。同时, 掺杂In引入了共振能级, 降低了载流子浓度, 使塞贝克系数以及功率因子增大。当In掺杂量x为0.03时, Ge1-xInxTe在600 K时获得最大ZT值1.15, 比GeTe提升了26.4%, 表明调整Ge1-xInxTe的微观结构可以有效提升热电性能。
掺杂In 热导率 GeTe 热电材料 In doping thermal conductivity GeTe thermoelectric materials
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 大连理工大学 三束材料改性重点实验室, 大连 116024
作为一种适于中温下使用的极具发展前景的新型热电材料, BiCuSeO由于本征热导率低且Seebeck系数较高而广受关注。本研究探索了变价稀土元素Eu替换Bi位对BiCuSeO热电材料微观组织和热电性能的影响。实验结果显示, 样品中同时存在Eu2+和Eu3+两种价态的离子, 掺杂Eu元素不仅可以增加样品的载流子浓度, 还可以调整样品的能带结构, 进而改善样品的电输运性能, Bi0.85Eu0.15CuSeO电导率显著提升, 在823 K时达到了98 S·cm-1, 相比于未掺杂样品提升了将近6倍。在温度为823 K时, Bi0.975Eu0.025CuSeO的功率因子可达0.32 mW·m-1·K-2, ZT值为0.49。本研究表明, 掺杂变价稀土元素可以有效改善BiCuSeO热电材料的性能。
热电材料 BiCuSeO 变价元素掺杂 thermoelectric materials BiCuSeO variable-valence element doping
School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
Mg2(Si,Sn)合金热电材料具有成本低廉、环境友好等优点, 作为一种绿色环保的中温区热电材料一直受到广泛关注。在Mg2(Si,Sn)基材料中掺杂大剂量Sb可诱发Mg空位, 从而有效降低材料的热导率, 但同时Seebeck系数也会降低。研究采用高温熔炼及真空热压法成功合成了Mg2.12-ySi0.4Sn0.5Sb0.1Zny (y=0~0.025)试样, 通过在大剂量Sb掺杂的Mg2(Si,Sn)基材料中添加Zn元素, 研究了大剂量Sb和微量Zn双掺杂对材料电声输运特性的综合影响。研究结果表明, Zn-Sb双掺杂可通过有效抑制材料电子热导率的方法大幅降低Mg2(Si,Sn)合金材料的总热导率, 与此同时明显提高掺Zn试样的塞贝克系数以弥补其电导率的损失, 维持材料较为优异的电学性能。最终, 热导率的大幅优化及电学性能的维持实现了材料综合热电性能的显著提升, 其中, 成分为Mg2.095Si0.4Sn0.5Sb0.1Zn0.025的材料在823 K下热电优值ZT达到1.42。
thermoelectric materials Mg2(Si Sn) alloy zinc-antimony doping figure of merit 热电材料 Mg2(Si Sn)合金 Zn-Sb双掺杂 热电优值
State Key Laboratory of Silicon Materials, School of Materials Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China
随着可再生能源及能源转换技术的快速发展, 热电材料在发电及制冷领域的应用前景受到越来越广泛的关注。发展具有高热电优值材料的重要性日益突出, 如何获得低晶格热导率是热电材料的研究重点之一。本文阐述了热容、声速及弛豫时间对晶格热导率的影响, 介绍了本征低热导率热电材料所具有的典型特征, 如强非谐性、弱化学键、本征共振散射及复杂晶胞结构等, 并分析了通过多尺度声子散射降低已有热电材料晶格热导率的方法, 其中包括点缺陷散射、位错散射、晶界散射、共振散射、电声散射等多种散射机制。此外, 总结了几种预测材料最小晶格热导率的理论模型, 对快速筛选具有低晶格热导率的热电材料具有一定的理论指导意义。最后, 展望了如何获得低热导率热电材料的有效途径。
thermoelectric materials lattice thermal conductivity specific heat relaxation time review 热电材料 晶格热导率 热容 弛豫时间 综述
