RAO3(MO)k氧化物自然超晶格界面调控及其对热电传输性能优化的研究

Nanostructure interfaces such as superlattices provide strong scatterings of phonons and therefore significantly reduce the thermal conductivity. Accordingly, nanostructure engineering has recently become an important approach to design thermoelectric materials. The superlattice interfaces, on one hand, increase Seebeck coefficient due to the filtering out of the low energy electrons, while may decrease electrical conductivity by affecting the charge carrier mobility. The net consequence of superlattices on the overall thermoelectric properties is rather complicated, and systematic and detailed study on this subject is still in need. In the present project, it is proposed that a natural superlattice oxide system is chosen as a model system, one example of which is the RAO3(MO)k homologous system（R = Sc，In，Y, etc.；A = In，Fe，Ga, Al, etc.；M = Mg，Mn，Co，Fe， Zn, etc.；k is an integer）. The superlattice interfaces have several factors that can be altered, such as the chemical composition and atomic structure, ordering and disordering, average interfacial spacing, etc. By characterizing the detailed interface structure and measuring the phonon and electrical transport properties, with the aid of thermal and semiconductor physics models and first-principle calculations, a deep insight into the correlation between the superlattice interfaces and thermoelectric transport properties can be made. The results will help us to understand how to tune the superlattice interfaces for optimizing the thermoelectric properties, which is a useful guide for discovering and designing novel high temperature thermoelectric materials.

超晶格界面对声子产生强烈散射从而大幅度降低热导率，已成为近年来热电材料设计的一个主要趋势。然而，超晶格界面一方面过滤低能电子提高Seebeck系数，另一方面则影响电子迁移率以至于电导率，因而其对热电性能的影响是复杂的，目前尚缺乏系统深入的探索研究。本项目拟以具有自然超晶格结构的多元氧化物体系为研究模型，如RAO3(MO)k 体系（R = Sc，In，Y 等；A = In，Fe，Ga，Al等；M = Mn，Co，Fe，Zn等；k为整数），通过改变化学成分和热处理工艺对超晶格的界面结构、化学组成、有序性及界面间距等因素进行调控，并在实验上测量观察相应的声子、电子输运性质，同时结合材料界面微观结构表征，及相关输运性质物理模型及第一性原理计算，进而从理论和实验上深度揭示超晶格界面诸多因素在传输性能上的影响机理。提出通过调控界面结构优化材料热电性能的有效方法，对研发高温热电材料具有重要的指导意义。

热电材料可以实现热能与电能的固态转换，在废热回收发电、航空航天同位素辐射发电和清洁绿色制冷等领域有重要的应用价值。超晶格材料因其独特的层状纳米尺度界面在热电材料领域有着重要应用前景。在热学性能方面，超晶格界面能够有效降低晶格热导率；在电学性能方面，与超晶格界面相关联的二维电子气能提供可调节的电子输运，同时与界面关联的电子势垒产生的能量过滤效应可以提高Seebeck系数。在本项目研究工作中，以In2O3(ZnO)k, Ga2O3(ZnO)k, InFeO3(ZnO)k, InGaO3(ZnO)k及Fe2O3(ZnO)k等天然超晶格体系为研究对象，系统深入地研究了化学成分与相平衡组织的关联性，探索出有序天然超晶格高纯相的合成工艺，并对超晶格体系进行了多尺度的结构表征。通过大量变温、高温热学电学输运性质实验观测，结合物理模型，揭示了原子层超晶格界面的热学电学输运性质，如界面热阻和界面电子势垒，并发现其与界面化学成分、界面间距及界面与ZnO电子能带失配的关联。通过对超晶格原子层界面化学组成的改变，实现了对界面输运性质的显著调控，并提出了通过协同优化界面热阻和界面电子势垒来提高超晶格材料高温热电性能的方法。本项目研究工作还揭示了界面特征（如界面缺陷、界面化学组成及界面纳米尺度异质相薄膜）对热学、电学输运性质的显著影响。本研究工作为调控天然层状化合物和人工超晶格的输运性质提供了新思路，为热电能源转换材料、热管理或热界面材料及超低热导率材料（如航空航天发动机热障涂层材料）的性能优化提供了科学参考。