激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316012
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 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
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 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
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
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
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
