N型SnSe基热电材料的能带结构和电声输运

Increasing the electrical conductivity is the key to optimize the performance of the n-type SnSe based thermoelectric materials. Based on the previous work and the first principles calculation, the project suggests to tune the Fermi level by controlled double doping to realize the band convergence. The Seebeck coefficient will increase together with the increased electrical conductivity. Also the project suggests to further analyze the microscopic reasons for the low electrical conductivity of the n-type SnSe based materials by microstructure characterization, reveal the effect of the micro defect structure to the electron- and phonon-transport and the band structure, grasp the effective method to control the microstructures, develop the feasible way to increase the electrical properties of the n-type SnSe based materials who has the intrinsic low thermal conductivity, and speed up the process to realize the high performance of the n-type SnSe based materials.

提高电导率是n型SnSe基热电材料性能优化的关键。在项目申请人前期工作的基础上，结合第一性原理计算结果，本项目拟采用双掺杂协调占位调节费米能级实现能带简并，在提高电导率的同时提高Seebeck系数。通过微观结构表征深入分析n型SnSe基材料宏观低电导率的微观原因，揭示微观晶体缺陷结构对电子输运和声子输运以及能带结构调控的影响机制，掌握调控微观结构的有效方法，发展提高本征低热导率n型SnSe基热电材料电学性能的有效途径，推进实现高优值n型SnSe基热电材料的进程。

热电材料可以实现热能和电能的直接相互转换，在余热废热发电和固态制冷领域有重要的应用前景。SnSe是一种环境友好、价格低廉，具有极低热导率和优良热电优值的有前景的热电材料。但是该材料组成中的Sn和Se都极易挥发，易于形成的Sn空位为p型掺杂，不利于n型材料的制备，因此对于n型SnSe材料的研究相对匮乏。本项目采用不同方法合成了稳定的高性能n型SnSe基热电材料，从电声输运两方面协同调控了n型SnSe基材料的热电性能，清晰理解了n型SnSe基材料的能带结构，掌握了能带调节的有效方法，阐明了宏观Sn空位、Sn补偿和其它电子共掺杂的微观机制以及对能带调节过程、电子输运过程和声子输运过程的影响，达到在提高电导率的同时，提高Seebeck系数，降低热导率的目的，探索出了能够优化出高性能n型SnSe基热电材料的有效途径。采用半径与Se接近的Br在SnSe中重掺杂，实现了电子浓度和电导率显著地提高，获得ZT=1.3的n型SnSe多晶材料；通过化学法获得具有板条状微观结构的宽温度范围稳定的n型SnSe基材料，该方法可广泛应用于溶液合成中的阳离子掺杂；利用高能球磨结合热压烧结的方法首次制备出稀土Pr掺杂n型SnSe多晶材料，提供了一种电子掺杂的有效掺杂剂和掺杂方法。同时，将项目中提出的各种优化方法拓展应用到其他材料体系中，提高了包括AgBiSe2、Eu2ZnSb2、SrAgSb等多种材料的热电优值。证明了缺陷工程技术对于克服掺杂瓶颈的重要性，从而促进了新型热电材料的发现。项目解决了调控过程中遇到的重要科学问题，得到了国际国内认可的重要科学结果。项目资助期内项目负责人承办国内学术会议一次，组织分论坛两次，参加国内外学术会议5次，邀请专家做学术报告20余次，培养1名博士后、6名博士生、9名硕士生，发表通讯作者学术论文28篇，参编英文专著1部，申请国家发明专利8项，其中已授权2项，获批“广东省杰出青年基金项目”资助，入选“教育部长江学者奖励计划”青年项目。