近日，南京理工大學(xué)材料學(xué)院唐國(guó)棟教授課題組與中科院固體物理研究所合作提出利用能帶集聚和內(nèi)生納米結(jié)構(gòu)協(xié)同優(yōu)化材料電聲輸運(yùn)，成功獲得了高性能、低成本、環(huán)境友好型SnTe熱電材料。相關(guān)研究成果“Synergistic Band Convergence and Endotaxial Nanostructuring: Achieving Ultralow Lattice Thermal Conductivity and High Figure of Merit in Eco-friendly SnTe”為題，于2019年11月在線發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物《Nano Energy》（Nano Energy 2019, 104261; DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104261，IF=15.6）。唐國(guó)棟教授為論文通訊作者，碩士生李小桐和劉吉梓副教授為共同第一作者。

熱電材料是實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，用熱電材料制成的溫差發(fā)電裝置和制冷裝置具有無(wú)需傳動(dòng)部件、運(yùn)行安靜、尺寸小、無(wú)污染等諸多突出優(yōu)點(diǎn)，在溫差發(fā)電和便攜式制冷等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。研發(fā)具有高熱電性能材料進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效能量轉(zhuǎn)換是實(shí)現(xiàn)熱電材料規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。國(guó)家、行業(yè)和企業(yè)對(duì)熱電新技術(shù)的需求十分迫切。目前，熱電材料較低的熱電性能，是制約熱電器件大規(guī)模應(yīng)用的主要因素。

碲化鉛熱電轉(zhuǎn)換器體系由于其優(yōu)異的性能在軍事和航空航天領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但其有一個(gè)致命缺點(diǎn)-含有鉛元素，對(duì)環(huán)境不友好。其類似物SnTe被認(rèn)為是一種十分理想的環(huán)境友好型熱電材料，可以很好地融入現(xiàn)有的碲化鉛熱電器件中，但SnTe 熱電材料的性能不高，這嚴(yán)重阻礙了SnTe 熱電材料的應(yīng)用，也是急需解決的一個(gè)問(wèn)題。目前提升SnTe材料的途徑大多是通過(guò)摻雜有毒元素或者貴金屬重?fù)诫s，這不利于環(huán)保且成本大大增加。唐國(guó)棟課題組通過(guò)低含量無(wú)毒元素Ge和Sb摻雜，導(dǎo)致SnTe材料能帶集聚，利用能帶工程大幅提高了材料的塞貝克系數(shù)和功率因子；進(jìn)一步借助相分離策略，通過(guò)快速冷卻降低材料固溶度產(chǎn)生內(nèi)生Cu2Te納米析出相，利用內(nèi)生納米相調(diào)控材料的聲子輸運(yùn)，在材料中獲得了極低晶格熱導(dǎo)率。最終通過(guò)能帶工程和內(nèi)生納米結(jié)構(gòu)協(xié)同調(diào)控優(yōu)化材料的電聲輸運(yùn)性能，將材料的熱電優(yōu)值ZT提升到1.5，ZT峰值增長(zhǎng)約350%。該研究率先利用低含量無(wú)毒元素?fù)诫s在SnTe 材料中獲得了高熱電性能，有利于環(huán)保和降低熱電器件應(yīng)用成本，這一研究對(duì)推動(dòng)SnTe 熱電材料廣泛應(yīng)用具有重要意義。

該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中央高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助。

圖1 通過(guò)低含量無(wú)毒元素?fù)诫s在SnTe中引入能帶集聚(a) Sn0.985Te (b) Sn0.985Ge0.016Sb0.016Te

圖2 材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱電優(yōu)值