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science:热电新研究
- by wittx 2022-07-31
一、【导读】
能量转换和使用中的浪费是一个全球性问题，而热电技术则提供了一种收集热量并将其转换为电能的可能性，但是面临转化效率低的问题。热电材料的转换效率主要与品质因数zT=S2σT/(ke+kL) 有关，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，ke为载波热导率，kL为晶格热导率。提高热电性能的策略需要有序结构的高电子迁移能力和无序原子分布的低晶格热导率，即 “电子晶体、声子玻璃”[1]。最近提出的高熵策略提供一种同时具备稳定晶体结构和无序原子分布的成分范围。然而根据安德森定域法则[2]，无序系统中电子的迁移可能受限。此外，对于低对称材料，熵驱动结构稳定会增加其晶体对称性，这也可能会增加声子传播。在高熵材料中，避免电子定域，同时获得声子固定分布是充满挑战的。
二、【成果掠影】
近日，南方科技大学的江彬彬副教授等人通过协调声子和电子的状态，将GeTe基高熵材料在750 K温度下的品质因数提高到2.7，并且，制备的分段模块在506 K温差条件下获得高达13.3%的实验室转换效率。通过提高熵，晶体对称性的提高使得电子在斜方六面体结构中呈现非定域分布，导致能带收敛，提高了电性能。相反，熵增引起的无序使得声子呈现定域状态，抑制了横向声子的传播，这是非谐性提高的本质原因，大大降低了晶格热导率。作者提供了通过熵的控制来协调声子和电子状态的范例，同时还证实了一条提升高熵热电材料性能的途径。
相关研究成果以“High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics”为题发表在Science上。
三、【数据概览】
图1 GeTe基热电材料和模块的高物理性能：(A) 高熵Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te样品的热电品质因数zT值与温度的关系；(B) 本文制备的GeTe基热电模块的最大转换效率ηmax与△T的关系 © 2022 AAAS
图2 高熵材料的形成：(A) 不同组成元素数量的GeTe基材料的XRD谱图，蓝色箭头代表的是第二相，编号S1-S13的GeTe基材料的成分用化学式表示；(B-G) 高熵合金Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te的总体EDS分布图和单个元素分布图，(C) Ge、(D) Ag、(E) Sb、(F) Pb、(G) Te © 2022 AAAS
图3 GeTe基材料和模块的热电性能：(A) 功率因素PF、(B) 晶格热导率kL 和(C) 品质因素zT与温度的关系温度的关系；(D) 本文材料的 zT值与文献报道的材料对比；(E-F) 制备的11、7:3、8:3和9:3模块与电流有关的参数，(E) 输出电压和输出功率，(F) 转化系数 © 2022 AAAS
图4 电子分布偏离：(A、B) GeTe合金和Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te高熵合金的SETM-HAADF图，橙色菱形代表Te原子，红色箭头代表Ge原子偏离方向；(C) 几何中心偏离值的示意图；(D、E) GeTe合金和Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te高熵合金的电场分布；(F) 偏离值随着熵增的变化；(G、H) GeTe合金和Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te高熵合金的电荷分布；(J、K) 通过密度泛函理论计算的定域和非定域电子分布示意图，红色实线代表短键，红色虚线代表长键；(L) 通过调整偏离值得到的能带收敛 © 2022 AAAS
图5 声子的定域分布：(A、B) 在常规状态和应变状态下GeTe合金和Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te高熵合金中的分布，δ为均方根；(C) 拉曼光谱强度和半峰宽，左图为GeTe，中间图为Ge0.61Ag0.11Sb0.13Pb0.12Bi0.01Te；(D) 测量得到的横波和纵波声速、计算得到的常温下的Gruneisen参数(λ)和晶格热导率(kL)，v0是测量的GeTe样品的声速 © 2022 AAAS
四、【成果启示】
高熵合金提高了GeTe基材料和模块的热电性能。通过增加混乱系统的熵，晶粒对称性增加，电子分布高度非定域，因而保持了良好的电性能。混乱系统中声子的定域分布强烈阻碍了横声子的传播，这是产生强非谐性增强和低晶格热导率的原因。文章证实了高熵合金中的电子非定域、声子定域分布，这种策略为同时获得电和热传输性能提供以可能性。
文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq5815
注释
[1] “电子晶体，声子玻璃”：热电材料性能的优化需要其导电性好，但导热性尽量差，俗称“电子晶体，声子玻璃”。
[2] 安德森定域：当固体晶格的无序度达到一定程度时，电子只能局限在某一晶格附近，而不能在无需系统中自由移动。
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