科研动态

       热电材料是能够通过固体中载流子的输运实现热能和电能直接转换的能量转换功能材料。与传统发电技术相比，采用热电材料制造的发电装置具有无机械转动部件，稳定可靠，对工作环境要求较低，应用的范围广等优势。目前热电材料的能量转换效率一直徘徊在10%左右，与理论预测可以无限接近卡诺循环效率的上限还有很大的差距。因此，改善热电材料的热电性能，提高能量转换效率，促进大规模实际应用，并探索热电转换机理具有重要的应用价值和科学意义。

       通过合理的界面设计来优化材料中的热电输运特性是热电材料研究的核心问题。对传统的块体热电材料而言，材料中的界面主要由晶界构成，晶界能够将具有不同晶面取向的相同物相或者不同物相分开。通过合理的界面结构优化，平衡界面的电性能和热性能就成为提高热电性能的关键。

图一 ALD技术在热电材料界面调控方面的应用

       北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授和肖荫果副教授课题组最近在热电材料界面调控方面取得重要进展，该课题组首次提出利用原子层沉积技术（ALD）对热电材料界面进行可控包覆，从而达到在原子尺度调控材料的热电输运特性的目的。针对目前商用的n型Bi₂Te_2.7Se_0.3室温热电材料，从界面结构设计、尺度优化方面入手，系统地研究了界面对热电传输特性的各种因素，并实现了将该室温热电效率提高近一倍。该工作近日发表在国际材料与能源领域顶级期刊Nano Energy（ 49，257p，影响因子为12.34）上。

图二 原位升温TEM观测高温烧结过程中Te在Bi₂Te_2.7Se_0.3/ ALD ZnO界面的析出。（a）300K（b）475K（c）523K（d）573K（e）623K. （f）析出的Te纳米颗粒。（g）烧结过程中Te析出的示意图。

       课题组在研发过程中采用本实验室先进的原位透射电子显微镜设备，直接观测到在高温烧结过程中Te在Bi₂Te_2.7Se_0.3/ ALD ZnO界面的析出过程，为界面结构及成份的精确调控提供了直接依据。实验发现，通过精确调节ALD ZnO层的厚度可以实现界面的结构及成份的精确调控，优化材料的热电输运特性。这主要归因于界面的势垒对载流子的能量过滤效应，从而实现功率因子的最大化，同时利用界面对声子的散射效应降低了材料的热导率。结果证明这种基于ALD技术的界面设计方法是一种有效的对热电材料界面进行修饰的方法，可以推广并广泛应用于其他的热电材料体系。

图三（a）热电输运特性随ALD ZnO沉积次数的变化趋势（300K）。（b）热电优值。（c）界面结构对热电输运特性的调节的示意图。

       该工作在潘锋教授和肖荫果副教授指导下，由北京大学新材料学院李拴魁博士完成。该工作的主要合作者还有深圳大学刘福生教授，上海大学的骆军教授，及南方科技大学的何佳清教授。

       该工作的顺利开展得到了广东省引进科技创新团队项目、深圳市科技创新基础项目、中国博士后科学基金的支持。　

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551830274X?via%3Dihub