纳米多相体系PbTe基材料微结构设计、构筑及热电性能调控

In order to solve the problem of the low conversion efficiency of PbTe based materials with the target utilization of waste heat in thermonuclear fusion reactor, this project will design thermoelectric nano-PbTe:Rx (R=S, Se, Pb, Sb, Ag….) building blocks. Electronic band structure of the building blocks will be tuned by doping and alloying based methods to achieve high power factor. The crystal structure, size and morphology will be controlled. The microstructure of the nano-building blocks as well as their distribution in the bulk materials will be designed and controlled symmetrically by an engineering strategy. The effect of the microstructure on the scattering of carriers and phonons will be employed. Reinforced conducting phase of nanoparticles will be introduced to lower the scattering effect of electrons on the grain boundary for improving the conductivity. The methods for controlling the microstructures of PbTe nano-building blocks will be studied. Deep understanding on the structures of materials and thermoelectric properties will be provided. The effect of microstructure controlling and band structure regulation on coordinated control of the Seebeck coefficient, conductivity and thermal conductivity will be revealed. This project will not only provide a new strategy to prepare high performance PbTe based thermoelectric materials, but also provide a scientific basis for coordinated control of thermoelectric properties though a structure optimization.

以热核聚变反应堆的余热利用为背景，针对PbTe基热电材料转换效率仍偏低的问题，本项目拟构建纳米PbTe:Rx (R=S, Se, Pb, Sb, Ag….)热电材料单元，通过构筑单元的掺杂与合金化等手段调控电子能带结构，以期达到高的功率因子；并控制构筑单元的晶体结构、尺度及形貌特征，采用工程化的策略，系统性地设计与调控纳米相构筑单元微结构及在块体材料中的比例与空间分布，探索材料的微结构对载流子，声子散射作用的物理机制；同时引入导电增强相纳米粒子，借此降低界面对电子的散射实现高的电导率。研究纳米体系PbTe基构筑单元的微结构调控方法，深入认识材料结构与热电性能之间的关系，揭示工程化的微结构设计与能带结构调控对塞贝克系数、电导率及热导率的协同调控机制。本项目不仅为构筑高性能PbTe基热电材料的制备提供了一种思路，而且为通过结构优化实现热电性能的分立协同调控提供科学依据。

本项目以热核聚变反应堆等领域的余热利用为背景，针对热电材料目前热电转换效率偏低的问题，通过PbTe基纳米热电材料结构单元构筑多相体系块体热电材料，基于基体中纳米结构和掺杂实现热学和电学性能的分立协同调控，提升材料热电性能，对其实用化有重要意义。在具体实施过程中，本项目首先基于电子和声子散射机制，考虑两者散射平均自由程差异，构筑了尺寸可控的PbTe以及PbTe@C:Ag纳米构筑单元，随后通过电火花烧结技术（SPS）制备了具有局域纳米结构的PbTe/PbTe@C:Ag多相体系热电材料，PbTe@C纳米相对声子散射的作用显著降低了晶格热导率，同时由于微米晶区的存在并未导致迁移率明显降低，而部分Ag纳米颗粒掺杂到微米基体中增强功率因子，同时动态掺杂效应进一步降低了较高温度段的晶格热导率，实现了热学性能和电学性能的分立协调调控作用，在723 K时,功率因子达到20 μW cm-1 K-1；热导率为0.39 W m-1 K-1, 趋近于理论最低值，ZT峰值达到1.65，是n型PbTe报道值中比较高的。接着，我们将构筑局域纳米结构多相体系热电材料这一策略继续拓展，使用熔炼的方法获得了Cu或者In掺杂的基体粉末，与PbTe@C:Ag纳米构筑单元一起通过SPS烧结获得了PbTe:(Cu,In)/PbTe@C:Ag局域纳米结构体系块体材料，研究发现Cu掺杂可以显著提高材料在整个温度段的功率因子，同时还可以通过局域纳米结构与Ag动态掺杂获得降低的晶格热导率，最终的ZT值最大值在823 K达到1.68，而平均ZT值也在300-823 K之间达到1.14。进一步，我们将纳米构筑单元PbTe@C和商业化Bi0.5Sb1.5Te3材料通过SPS烧结，制备了具有局域纳米结构的Bi0.5Sb1.5Te3/PbTe@C复合块体材料，探究了不同浓度的PbTe@C纳米第二相对商业BST材料声子输运性能的作用机制，并探明了其对电子传输时散射的影响，含量为0.3 wt％PbTe@C的平均ZT值达到0.56，比纯样提高了近51％，实现了热电性能的提升，阐明了增强机理。证明了多相体系局域纳米结构策略提高材料热电性能的普适性，这为提高结果结构调控，实现热学与电学性能分立协同调控. 本项目不仅为增强材料热电性能提供了新的思路，也为发展高效率热电材料与器件提供了科学基础。