Bi2Te3基高性能块体热电材料的高压制备

热电材料是一种能够将热能和电能进行直接转换的绿色能源转换材料，在能源、环境、国防等关键领域具有重要应用。Bi2Te3基热电材料是低温区（300-500K）高性能热电材料的典型代表。近年来，通过纳米化手段已显著提高了其热电性能。尽管目前Bi2Te3基热电材料在固态制冷和温差发电等领域已得以广泛应用，但低转换效率仍是限制其大规模应用的关键问题。近年来，高温高压（HPHT）合成技术在制备高性能块体热电材料方面已显示出其独特的优势，得到了国际上的高度关注。本项目将采用HPHT合成技术并结合掺杂，围绕优化设计的(Bi,Sb)2(Te,Se,S)3基热电材料体系进行系统地研究。揭示高压下该类材料的晶体结构、电子结构、微观组织结构(晶粒尺寸、晶界、致密度等)等的变化对电声输运特性的影响机制和规律。最终通过对该类体系热电材料电声输运性能的综合优化，获得块体Bi2Te3基热电材料性能的突破。

热电材料是一种能够将热能和电能进行直接转换的绿色能源转换材料，在能源、环境、国防等关键领域具有重要应用。Bi2Te3基热电材料是低温区（300-500K）高性能热电材料的典型代表。本项目借助高温高压制备技术开展了Bi2Te3及其掺杂体系热电材料的高温高压制备科学方面的研究，对所制备的材料进行了掺杂成分、晶体结构和微观组织的表征，并系统研究了合成压力、掺杂量、微观组织、晶体结构等对其热电特性的影响机制和调制规律。具体研究内容包括：①发展了高压合成热电材料的创新技术；② 研究了Bi2Te3的高温高压合成及其热电性能随合成压力的调制规律；③研究了合成压力和掺杂量对Sb掺杂Bi2-xSbxTe3体系材料热电性质的协同调制规律；④研究了合成压力对高温高压制备的Bi2Te3不同温度下的热电输运性能的优化；⑤研究了高温高压制备的BiSbTe3块体材料的热电输运性质与晶体生长机制。获得的重要研究成果包括：阐明了合成压力、掺杂成分和掺杂量、亚稳相结构和不同微观组织结构对Bi2Te3基热电材料电声输运特性的影响和作用机制；揭示了高温高压制备技术合成Bi2Te3基热电材料中电声输运规律；制备出了最高ZT值为1.4，并具有良好热稳定性和机械强度的Bi2Te3基块体热电材料；相关研究成果已发表在Cryst.Eng.Comm., Chemical Physics Letters, Materials Letters等国际权威学术刊物上，其中已发表标注本项目资助编号的SCI论文14篇。相关研究成果还在2011年度和2012年度中国材料大会热电材料与应用分会上，及2013年度的12th IUMRS International Conference on Advanced Materials国际会议上分别作了特邀报告、口头报告和墙报交流，国内外相关专家和学者对我们的研究成果和先进的制备技术给予了充分肯定。