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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、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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