新型無機(jī)非金屬材料研究

qingxin12

中科院上海新型無機(jī)非金屬材料研究所研究員史迅、陳立東、張文清、許鈁鈁與美國加州理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的學(xué)者合作，提出在固態(tài)無機(jī)非金屬材料中引入具有局域“液態(tài)”特征的離子來降低熱導(dǎo)率和優(yōu)化熱電性能，突破晶格熱導(dǎo)率在固態(tài)玻璃或晶態(tài)材料上的限制。相關(guān)成果日前發(fā)表于《自然—材料學(xué)》雜志，并申請(qǐng)中國發(fā)明專利。審稿人對(duì)該文給予高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為其拓展了已有的“聲子玻璃—電子晶體”概念至“聲子液體—電子晶體”，為熱電材料的研究方向提供了新的可能性。

史迅介紹說，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的塞貝克（Seebeck）效應(yīng)和帕爾貼（Peltier）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)化，在工業(yè)余熱和汽車尾氣廢熱發(fā)電等領(lǐng)域具有重要而廣泛的應(yīng)用。熱電技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于材料的本征物理特性，通�？捎蔁犭妰�(yōu)值來衡量，而熱電優(yōu)值取決于不銹鋼材料的Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和絕對(duì)溫度。
傳統(tǒng)的高性能熱電能量轉(zhuǎn)換材料為固體晶態(tài)化合物。近年來，以方鈷礦和籠合物材料為典型代表的籠狀化合物熱電性能的優(yōu)化，以及通過納米結(jié)構(gòu)降低晶格熱導(dǎo)率提升熱電性能的研究均取得了顯著進(jìn)展，其熱電優(yōu)值超過1.5。然而，晶態(tài)化合物中晶格熱導(dǎo)率的降低受制于結(jié)構(gòu)的長程有序性，其最低極限（最小晶格熱導(dǎo)率）與完全無序的玻璃態(tài)相當(dāng)，限制了熱電性能繼續(xù)優(yōu)化的空間。
史迅等人發(fā)現(xiàn)了一類具有“聲子液體—電子晶體”特征、完全不同于傳統(tǒng)晶態(tài)熱電化合物的新型熱電材料體系，拓展了熱電材料的設(shè)計(jì)理念。研究表明，在具有高溫反螢石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體硒化二銅化合物中，硒原子可形成相對(duì)穩(wěn)定的面心立方亞晶格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而銅離子則無序分布在硒亞晶格網(wǎng)絡(luò)的間隙位置進(jìn)行自由遷移。硒亞晶格提供了良好的電輸運(yùn)通道，具有“液態(tài)”特征的可自由遷移銅離子不但可強(qiáng)烈散射晶格聲子來降低聲子平均自由程，而且由于消減了部分剪切方向晶格振動(dòng)橫波模式而降低了材料的晶格熱容，突破了晶態(tài)和玻璃態(tài)材料的晶格聲子熱振動(dòng)與輸運(yùn)限制。
初步結(jié)果表明，硒化二銅顯示了優(yōu)良的熱電性能，其熱電優(yōu)值可超過1.5，與目前發(fā)現(xiàn)的高性能晶態(tài)熱電材料相當(dāng)，并有望通過優(yōu)化摻雜等手段進(jìn)一步提升。同時(shí)，該研究工作提出的“聲子液體”概念可以很好地解釋許多含銅和銀離子的半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)的電熱輸運(yùn)行為及其規(guī)律，為新熱電化合物的探索以及傳統(tǒng)熱電材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供了新的方向和途徑。