Cu2X“声子液体”热电材料的反常电热输运与性能优化

The liquid sublattice in Cu2X (X=S, Se, Te) solid ionic conductors could lower the specific heat and thermal conductivity, leading to a novel thermoelectric material under the concept of 'phonon-liquid electron-crystal' (PLEC). The two independent sublattices in Cu2X provide a unique platform to tune the electrons and phonons, resulting in the figure of merit zT up to 1.5-1.7. However, the mechanisms for the abnormal electron and phonon transports in Cu2X are still not clear, which limits the further optimization of the thermoelectric properties. In this project, we will continually study the Cu2X-based compounds, mainly focusing on the mechanism of electron/phonon transports by combining theory, materials synthesis, transport property measurement, and microstructure characterization. Our goal is to obtain in-depth understanding on the mechanisms of the collective electrical and thermal transport, reveal the relationship among TE transport properties, electronic structure, crystal structure, and phonon vibrations. We will also finish the study on the basic characters of transverse phonons, the mechanisms of phonon scattering and low thermal conductivity, and mechanism of electron transport. The scientific fundamentals of concept PLEC will be identified. Finally, the optimization of Cu2X materials will be performed through element substitution, doping, and solutions to greatly enhance the thermoelectric performance.

以Cu2X（X=S，Se，Te）为代表的固态离子导体中的液态亚点阵具有"横波阻尼效应"，可降低热容和热导率，引出一类具有"声子液体－电子晶体"（PLEC）特征的新热电材料体系。Cu2X中两套亚晶格点阵结构为电子和声子的调控提供了独特平台，其热电优值zT达到1.5-1.7。然而，Cu2X"声子液体"材料中异常的声子和电子输运特征与机制尚不清楚，限制了该材料热电性能的进一步调控与优化。本项目以Cu2X为主要研究对象，结合理论计算、材料制备、输运性能测试，研究横波声子的基本特征，热传导的散射机制与低热导率的机理，以及电子输运的特性与方式，深刻理解晶体结构/微观结构/电子结构/声子振动特性与电热输运性能之间关系及其规律性，揭示"声子液体－电子晶体"输运特性的基本特征与微观机制，并基于以上理解针对性地开展元素替换、固溶、复合等性能优化研究，实现热电性能明显提升。

围绕Cu2X（X=S，Se，Te）离子导体热电材料中的中的结构设计-电热输运-和性能优化展开研究，结合理论计算、材料制备、输运性能测试，研究横波声子的基本特征，热传导的散射机制与低热导率的机理，以及电子输运的特性与方式，深刻理解晶体结构/微观结构/电子结构/声子振动特性与电热输运性能之间关系及其规律性，揭示"声子液体－电子晶体"输运特性的基本特征与微观机制，并基于以上理解针对性地开展元素替换、固溶、复合等性能优化研究，实现热电性能明显提升，取得了系列重要创新性成果。利用两种阴离子原子质量和原子半径的巨大失配，在Cu2S和Cu2Te形成的固溶体Cu2(S, Te)中成功地合成了一种具有马赛克晶体微观结构特征的热电材料，实现了电传输和热传导的同时优化，获得了兼具类似玻璃材料的极低热导率和晶体材料的优异电输运性能，Cu2S0.52Te0.48的热电优值zT在1000K时达2.1。从热力学和动力学的角度提出了固态热爆反应的普适性判据，同时，利用该固态热爆反应可以有效的调节和控制孔洞的大小和分布，从而制备性能可控的高性能多孔热电材料。提出成键强化的新方法来调节铜硒基类液体热电材料的载流子浓度。当在Cu2Se的硒位引入少量硫时，可以显著提高阴阳离子间的键能，从而把铜离子固定在晶格位，抑制铜的析出。如此可以把体系的载流子浓度降低至最优区间，为热电材料性能的进一步优化提供新的方向和途径。本项目在Adv. Mater.（2篇）、Nano energy、NPG Asia Mater.等期刊发表论文21篇，申请专利5项；培养毕业学生7名，共获国家奖学金、中国科学院三好学生、优秀毕业生等奖励13项。史迅研究员获上海市优秀学科带头人、科技部中青年科技创新领军人才、国家杰出青年科学基金、万人计划领军人才、中国科学院青年科学家奖等奖励和荣誉；在国际热电大会、美国MRS等作邀请报告35次。