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深圳先進院等在硅鍺合金的熱電性能調(diào)控領(lǐng)域取得新進展

2018-07-23 12:48:52 作者：本網(wǎng)整理來源：中國科學(xué)院網(wǎng)站分享至：

N型硅鍺合金是一類性能優(yōu)異的高溫?zé)犭姴牧希伤瞥傻姆派湫酝凰責(zé)犭姲l(fā)電機RTG可以長時間有效地將放射性同位素（Pu）衰變產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)化為電能，工作性能穩(wěn)定而無需額外燃料和人工維護，滿足了航空航天器、衛(wèi)星等設(shè)備在黑暗廣袤的太空中的各種儀器供電需求。硅鍺合金多應(yīng)用于航天航空而很少出現(xiàn)在日常生活中，一個主要原因就是大量摻雜的鍺元素提高了材料成本；另一個原因是硅鍺合金的熱導(dǎo)率在5 W/mK以上，制約了其熱電轉(zhuǎn)換效率。如何利用低鍺組分的硅鍺合金實現(xiàn)同等甚至更為優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換應(yīng)用，就需要考慮除了合金材料對聲子的質(zhì)量散射以外其他的作用機理。

對此中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院博士隋帆與其合作者展開了關(guān)于低鍺組分的硅鍺合金材料的熱電性能調(diào)控相關(guān)的研究，通過快速的放電等離子燒結(jié)技術(shù)，保留硅鍺合金的微納結(jié)構(gòu)以及合金母體中的異質(zhì)納米顆粒，這種合成方法可以引入大量邊界散射，使得低鍺組分材料具有與RTG的高鍺合金一樣高效的熱電轉(zhuǎn)換效率。另外，該研究與美國噴氣推進實驗室（JPL）合作，利用合金材料這一優(yōu)異的測試標樣對比了塞貝克系數(shù)的兩種現(xiàn)行主要測試方法：同軸法和異軸法，發(fā)現(xiàn)異軸法會在熱電偶局部造成“冷點效應(yīng)”，使得高溫區(qū)域的塞貝克系數(shù)測量值明顯偏高，這也就意味著，現(xiàn)有的廣泛應(yīng)用的異軸法測試提供了大量誤導(dǎo)性的文獻數(shù)據(jù)，引起學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。論文以Influence of YbP on the thermoelectric properties of n-type P doped Si95Ge5 alloy 為題于近日發(fā)表在Journal of Alloys and Compounds 期刊上。

硅材料往往具有較高的熱導(dǎo)率，合金體系通過鍺元素摻雜，可以提高對聲子的質(zhì)量散射，降低熱導(dǎo)率，諸如RTG使用的硅鍺合金采用了20%的鍺摻雜量，最終實現(xiàn)1.3以上的zT值。在低鍺的Si95Ge5材料中，鍺原子不能造成足夠的質(zhì)量散射來有效降低熱導(dǎo)率，隋帆利用一系列不同組分P和YbH2前驅(qū)物均勻分散到硅鍺合金的多晶粉末中，通過快速的放電等離子體燒結(jié)一步完成YbP異質(zhì)顆粒的反應(yīng)嵌合和材料的燒結(jié)。

通過對樣品系統(tǒng)表征發(fā)現(xiàn)，1%低濃度摻雜的YbP組分可以降低材料的晶格熱導(dǎo)率，取得和RTG同等甚至高溫區(qū)域更優(yōu)的熱電轉(zhuǎn)換效率。合金中團聚的納米顆粒會產(chǎn)生比同等數(shù)目的單個原子更強的散射，這是由于除了質(zhì)量差異引起的散射，納米顆粒會有更明顯的彈性系數(shù)差異，對于聲子頻率的散射也受納米顆粒的半徑影響。該研究還發(fā)現(xiàn)，不同測量原理的塞貝克系數(shù)表征會引起很大的偏差，這是由于在高溫區(qū)域需要準確獲得電極間的溫差和電壓差需要同軸法測量，才能避免異軸法在局部的溫差畸變。該研究對于硅鍺合金的熱導(dǎo)率調(diào)控提出了新的解決思路和實驗方案。

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