Mn4Si7基热电材料的纳米复合及其性能增强机理研究

Embedding some nano-dispersions into matrix is one of the most effective means to improve thermoelectric properties. The additional holes, dislocations, grain boundaries, nano-pores and the nano-dispersion itself as scattering centers can greatly enhance the phonon scattering effect and reduce the lattice thermal conductivity. The potential barrier differences between nano-dispersions and matrix can adjusted by changing the states of the nano-dispersions, and correspondingly realize the efficient filtering on low energy carrier, which will result enhanced Seebeck coefficients as well as optimized power factors while keep relatively high electrical conductivities. This application intends to controlled synthesize some special nanostructures like quantum dots, nanowires, nanotubes and nanosheets with different compositions, and then evenly dispersed one of them into the Mn4Si7 based thermoelectric materials. Systematically study the regularities of the decreasing thermal conductivities that caused by the different compositions, amounts, shapes and dispersion states of the nano-inclusions. We try to design and control the potential barrier differences between nano-dispersions and bulk by changing the compositions and morphologies of the nano-dispersions, enhance the electrical transmission and figure of merit of Mn4Si7 based materials using potential barrier filtering strategy, as well as perfect the corresponding potential filtering model and phonon scattering theory.

基体材料嵌入纳米弥散相是提高热电性能最有效手段之一。纳米弥散相本身及其所引发的空位、位错、晶界和纳米孔洞等缺陷作为散射中心能大幅增强声子散射效应，降低晶格热导率；通过改变纳米弥散相形貌，调节其与基体间的势垒高度差能实现低能载流子的高效过滤，在基本保持高电导率的同时提高Seebeck系数，优化功率因子。本申请拟通过化学法控制合成不同成分量子点、纳米线、纳米管和纳米片等特殊结构，采用“外混”的方法将其均匀弥散至Mn4Si7基热电材料中，研究纳米弥散相的成分、含量、形貌和不同分散状态对热导率的影响规律，并通过改变纳米弥散相的成分和形貌对势垒高度差进行设计和调控，应用势垒过滤策略优化电传输性能，提升Mn4Si7基材料热电优值，辅助完善现有声子散射强化理论和势垒过滤模型。

热电技术能实现热能与电能之间的相互转换，是提高能源利用效率有效手段之一。高锰硅材料是一类机械性能好，化学、热稳定性优良且PF高的中温热电材料，组成元素环境友好、产量丰富，应用前景可观，是替代中温PbTe的理想材料，受到了科学界广泛关注。基体材料嵌入纳米弥散相是提高热电性能的有效方法。项目根据申请书的要求，利用电、声传导理论筛选出了部分与高锰硅能带匹配的一些化合物，例如Ag、Pt、CsPbBr3、SnS、Te等；通过化学法控制合成Ag、Pt、Ag/Pt合金和CsPbBr3量子点、Te纳米线和纳米管、SnS纳米片等特殊纳米结构，采用“外混”的方法将其均匀弥散至高锰硅基热电材料中，研究纳米弥散相的成分、含量、形貌和不同分散状态对热电性能的影响，并通过改变纳米弥散相的成分和形貌对势垒高度差进行设计和调控，应用势垒过滤策略优化电传输性能，提升Mn4Si7基材料热电优值，辅助完善现有声子散射强化理论和势垒过滤模型。结果表明当高锰硅材料内嵌入Pt量子点、Ag量子点、CsPbBr3量子点、Ag/Pt合金量子点时，ZT值从纯相的0.42提升至0.51、0.56、0.57、0.64，分别提升约21%、33%、36%、52%，提升幅度较大。实现了SnS纳米片的准商业化合成，其热电性能从纯相的0.18提升至0.8，提高约3.4倍。研究表明，纳米弥散相本身及其所引发的空位、位错、晶界和纳米孔洞等缺陷作为散射中心能大幅增强声子散射效应，降低晶格热导率；通过改变纳米弥散相形貌，调节其与基体间的势垒高度差能实现低能载流子的高效过滤，在基本保持高电导率的同时提高Seebeck系数，优化功率因子。复合纳米弥散相的方法将对其它热电体系提高热电性能有较强的指导意义。