稀土元素掺杂诱导β-Zn4Sb3态密度畸变及提升热电性能的实验探究

虽然β-Zn4Sb3具有极低的热导率，是人们迄今发现的中温(150－400℃)最好的热电材料，但它的热电性能距工业化应用仍有很大距离，如何大幅提高其热电性能是人们面临的极具挑战性的难题。本项目采用重元素稀土掺杂在降低热导率的同时，探究利用其尖窄的f轨道电子态与β-Zn4Sb3 的价带电子态交迭（或杂化）在费米能附近产生共振畸变，以实现热电势及热电优值的大幅提升。通过UPS、同步辐射光电子能谱等手段对掺杂前后带结构以及热电输运性质(电阻率、热电势、Hall系数和热导率)的测量, 深入和系统地研究β-Zn4Sb3的热电输运性质和态密度畸变与掺杂元素种类和含量的依赖性，同时结合结构分析手段来探讨态密度共振畸变形成规律，探寻可诱导态密度共振畸变的潜在元素；在此基础上揭示态密度畸变与热电输运性质提升二者的关联性，为大幅提高β-Zn4Sb3热电性能提供科学依据，也为优化其它热电材料性能提供借鉴和参考。

beta-Zn4Sb3是一种性能优良、环境友好(无Pb)的中温热电材料，由于其极低晶格热导率，它的ZT值在670K时达1.3。虽然如此，其性能离实际应用还有相当差距。如何进一步提升其热电性能是一项非常紧迫的任务，也是本项目研究的主要宗旨。在本项目的研究中，我们主要探索和寻找一些特殊元素，它们在Zn位替代掺杂可以引起价带顶附近费米能级电子态密度出现共振型畸变，从而显著提高热电势以及功率因子。我们通过几年的探寻，终于寻找到稀土元素Pr, Sm, Nd和主族元素Pb，它们的掺杂不仅可以降低热导率和改变载流子浓度，还可以引起价带顶附近费米能级电子态密度出现共振型畸变，从而显著提高热电势以及功率因子，进而提高了ZT值。获得的最高ZT值在648K时达到1.4。该研究结果为-Zn4Sb3热电性能的提升提供重要的实验依据，也为其他材料热电性能的提升提供了借鉴和参考。研究成果已发表SCI收录论文22篇，其中包括在JMCA(1篇)、Scientific reports (1篇)和APL(3)等著名期刊上发表论文。通过本项目的设施，培养博士1名，硕士2名。该项目的实施和完成不仅积累了经验、培养了人才，而且也为进一步开展相关研究奠定了良好的基础。