穩態強磁場用戶利用磁場輔助微結構調控熱電材料性能取得新進展
                  時間 : 2019-07-30     

                  穩態強磁場實驗裝置(SHMFF)用戶南京理工大學唐國棟教授研究組利用強磁場原位水熱合成SnSe熱電材料,實現了對材料微結構的調控,顯著提升其熱電性能,說明利用強磁場調控熱電材料微結構及其電子聲子輸運,對于優化熱電材料性能十分有效。相關研究成果發表在國際著名期刊Journal of Materials Chemistry A (2019, 7, 15757-15765)上。 

                  熱電材料是實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料,用熱電材料制成的溫差發電裝置和制冷裝置具有無需傳動部件、運行安靜、尺寸小、無污染等諸多突出優點,在溫差發電和便攜式制冷等領域有重要應用前景。研發具有高熱電性能材料進而實現高效能量轉換是實現熱電材料規模應用的關鍵。國家、行業和企業對熱電新技術的需求十分迫切。決定熱電材料性能的重要參數是熱電優值(ZT),其大小由Seebeck系數(S)、電導率(σ)和熱導率(k)共同決定。目前,對熱電材料的微結構調控是提高熱電性能的有效手段,而磁場是對物質微結構進行調控的一種重要手段。 

                  在眾多體系的熱電材料中,SnSe基化合物具有熱電性能較高、元素無毒性、來源豐富、成本低等優勢,是極具發展前景的一類熱電材料。唐國棟課題組采用強磁場原位水熱合成技術制備出了Se量子點/Sn0.99Pb0.01Se納米材料,研究了磁場對材料微結構及其熱電性能的影響。研究人員分兩步制備材料,首先在不同的磁場下(零場, 5T, 9T)進行水熱合成,然后用放電等離子體燒結。在高角環形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)的表征中發現(圖1),磁場能夠對材料的微結構產生明顯影響:其一,磁場引起晶粒尺寸的減小;其二,磁場能夠對納米析出相的形狀、尺寸和空間分布產生明顯影響(5T磁場下合成的樣品中納米析出物呈球狀,均勻分布,而零磁場下合成的樣品中納米析出物形狀不規則,主要分布在晶界附近);更重要的是,磁場還導致Se量子點的形成。針對微結構的變化,通過對磁場下成核自由能的分析進行了很好的說明(圖2)。 

                  磁場下合成的樣品的Seebeck系數大幅提高(圖3a),這主要歸因于Se量子點的出現引起電子結構的變化。紫外光電子能譜(UPS)測量表明,Se量子點導致費米能(Ef)附近具有更大的電子態密度,從而提高了材料的Seebeck系數和功率因子。另一方面,磁場下合成的樣品中Se量子點、更小的晶粒尺寸、納米析出相使其具有極低熱導率。通過強磁場調控熱電材料的電聲輸運,使得磁場下合成的樣品熱電優值顯著增加,最大ZT約為2.0,與零場下制備的樣品相比,最大增幅達到了47%,這說明強磁場是提高熱電性能的有效手段。 

                  該研究成果為熱電材料的設計和性能優化提供了新思路,推動了新型高性能熱電材料的研發與應用。 
                  文章鏈接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/ta/c9ta03967h

                   
                  圖1 高角環形暗場掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖像,(a–c)5T磁場下合成樣品,(d–f)零場樣品 
                  圖2 磁場影響晶粒生長及Seebeck系數提升示意圖

                   
                   圖3 不同磁場下合成Sn0.99Pb0.01Se樣品的Seebeck系數(a)和熱電優值ZT(b)