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我室在压力调控SnSe的热电性能方面取得新进展

热电材料能够直接地把热能转化为电能,这对于发电方式的变革和能源再利用等方面都有着重要的意义。热电转化效率是由材料的热电优值(ZT)所决定的,它和材料的功率因子(PF=S2σ)成正比而和热导率(κ)成反比。近年来,由张永胜研究员在海外参与的研究工作中找到了一种高效的热电材料SnSe,它的热电优值在高温区(~920K)能够达到峰值~2.6。然而此温度已超过了SnSe材料的相变温度(730K从Pnma到Cmcm),这影响了此材料在低温区的应用以及热电器件的稳定性。如何提高此材料在低温区的效率是决定其应用前景的重要问题。压力能够通过改变材料的键长和结构,从而影响材料的能带结构和声子结构,进一步影响材料的热电参数。因此压力可以作为一种热电性能调控的手段。

近日,我室张永胜、曾雉研究组首次报道了通过压力来调控SnSe材料在低温下的热电性能。低温相的SnSe-Pnma在加压(p≦6GPa)后其晶格常数和原子间的键长都相应被压缩,压力导致的结构变化导致材料的能带结构发生改变:带隙从原来的~0.6eV降低到~0.2eV,并且费米面处的能带形成了类似于狄拉克锥的结构,这表明材料的电导率在压力下会得到大幅度提高。理论模拟压力下的电输运性质证实了这一点。得益于电导率的极大升高,材料的功率因子也得以成倍地提升。而对于热导率来讲,压力使之增大,但比功率因子的增幅要小。综合考虑压力对功率因子和热导率的影响后,低温相SnSe-Pnma的热电优值可以在压力下得到提升,比如在b方向上(6GPa, 700K)时,ZT值可以从常压下的0.7提升到2.5。这为调控热电材料的性能提供了新的方案。

该文章被选为热点文章(hot paper)在近期的《材料化学A》 (Journal of Materials Chemistry A)杂志上报道,第一作者是张永胜研究员,通讯作者是曾雉研究员。该研究工作得到了国家自然科学基金委、中组部千人计划、中科院百人计划和合肥科教中心培育项目的支持。

原文:Pressure induced thermoelectric enhancement in SnSe crystals, J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 12073-12079, DOI: 10.1039/C6TA03625B

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/ta/c6ta03625b


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