碲化铋基热电薄膜中特殊晶面及界面的可控组装及其热电性能研究

热电材料是一种能实现热能与电能相互转换的半导体材料，常用于制备微型电源或电子芯片制冷器件。如何提高现有材料体系的热电品质因子ZT值一直是研究的重点。常温区用的碲化铋基热电材料性质具有明显各向异性，控制晶体沿最佳晶面择优生长是进一步提高ZT值的关键；晶体中特殊晶界会影响材料载流子和声子的输运，而实现载流子和声子的协同调控，也是提升ZT的核心。本申请以普通碲化铋基热电材料为原料，探索低成本、易工业化的低维碲化铋基热电薄膜材料的可控制备方法，获得具有特定纳米结构及界面的热电薄膜材料。通过控制特定晶面的择优生长，调控和优化薄膜材料的界面势垒，达到对载流子和声子的协同调控，提升现有常规热电材料体系的性能达50%以上。系统研究材料组分、晶体择优生长面、晶界、界面、缺陷对材料宏观热电性能的影响，实现n型碲化铋基热电薄膜材料的ZT达到1.5以上，为研制和开发高ZT、低成本的热电薄膜材料提供新思路。

控制晶体沿最佳晶面择优生长与特殊晶界是进一步提高ZT值的关键。针对大功率电子器件快速制冷与太阳能热发电的需求，利用有序微纳米结构实现对热的高效转化与传递调控，研究了“微观”材料晶面、晶界和“宏观”器件界面对声子输运的影响规律与调控原理，发展出高效热能转换与利用新技术，并实现应用。.① “微观”材料晶面、晶界对声子输运调控的研究.成功的制备了一系列具有不同纳米结构的热电纳米材料，发现了低维纳米结构形貌演变对材料热与电输运性能的调控规律，利用材料微结构创新调控了热在材料体系内的输运过程，实现了材料热电转换性能的突破，常温下n-碲化铋系热电材料热电品质因子ZT达1.54。.②“宏观”器件界面对传热调控的研究.发展了热电器件用跨尺度有序金属电极界面设计新技术，具有导电与强化传热复合功能，从异质界面的构筑与调控入手，发展了软硬衬底上电极与热电材料的兼容性加工方法，创造性的将微纳表面强化传热技术应用于热电薄膜器件的电极，通过调节薄膜的纳米结构及材料界面对传热与导电过程的控制，调控了界面的接触电阻与接触热阻，实现了器件热电转换性能的提升。研制出一系列高性能薄膜制冷器件，制冷功率密度达到180W/cm2。.③ 热电器件功能实现与热利用的研究.发展出用于航天器的主动热控新技术、基于环境热能发电的无源传感器和太阳能光热电复合发电系统，并实现重要应用。利用传热结构的优化，结合相变储能技术，从器件上实现了光热电一体化复合发电，无聚光条件下，太阳能发电效率达23%，表现出优异的热转换性能。.主要成果如下：.①在Nano Energy、Energy、Energy Conversion Manage、Phys.Chem. Chem. Phys等著名期刊发表SCI论文32篇。申请中国发明专利3项，授权2项。培养博士生6人（已毕业），硕士生5人（已毕业）。.②研制出3种高ZT值 n-型热电薄膜材料，最高ZT值达1.54..③主办1次热电材料与器件研讨会。