硫族铅化合物纳米复合热电材料设计及其电热输运协同调控

Lead chalcogenides (PbTe, PbSe and PbS) are promising thermoelectric materials in the intermediate temperature range, which have extensive potential applications in waste heat generation. In order to achieve broad-band phonon scattering, this project is planning to explore lead chalcogenide-based materials showing spinodal decomposition based on the investigation of phase diagram and crystal structure. Utilizing the unique microstructure feature of spinodal decomposition system, such as solute atoms, lattice defects, coherent or semicoherent interfaces, and uniformly dispersed precipitates in the size of several to tens of nanometers, the phonon scattering will be enhanced, leading to reduced lattice thermal conductivity. Combined with high-energy ball milling, micron to sub-micron particles will be introduced to the thermoelectric nanocomposites. This will allow effective phonon scattering of the full phonon spectrum, resulting in dramatic reduction of the lattice thermal conductivity. The electrical transport properties of the nanocomposites will be further improved by the energy filtering effect of the interface barrier and the doping effect of the small amount of doped phase. Our research aims to co-optimize the electrical and thermal transport properties of the lead chalcogenide-based materials through the nanocomposite technology and prepare nanocomposites with high thermoelectric performance.

硫族铅化合物（PbTe、PbSe和PbS）是性能优异的中温区热电材料，在余热发电领域应用前景广阔。为了实现宽频声子散射，本申请拟通过相图和结构研究，探索具有调幅分解特征的硫族铅合金体系。利用调幅分解体系的独特微结构特征，如固溶原子、晶格缺陷、共格或半共格界面、几至十几纳米的弥散析出相等，增强声子散射，降低晶格热导率。结合高能球磨，引入微米至亚微米尺度的颗粒，更有望实现全声子谱散射，显著降低晶格热导率。利用界面势垒的能量过滤效应以及微量掺杂相的载流子调控作用，优化纳米复合材料的电输运性能。目标是通过纳米复合技术对硫族铅合金体系的电、热输运协同调控，制备出具有高热电优值的纳米复合材料。

硫族铅化合物（PbTe、PbSe和PbS）是性能优异的中温区热电材料，在余热发电方面具有广阔的应用前景，因而受到了广泛关注。本项目的重点研究内容是多尺度微结构对载流子输运和声子散射的影响机制与规律，目标是通过纳米复合实现对硫族铅化合物电热输运性能的协同调控，制备出具有高热电优值的纳米复合材料。围绕上述研究内容和目标，我们系统研究了间隙原子、位错、纳米结构等对硫族铅化合物纳米复合热电材料电热输运性能及力学性能的影响机制，并通过电热输运性能协同调控优化了热电性能。（1）通过PbSe与SrSe的固溶，调制了能带结构、优化了电输运性能、降低了晶格热导率，并确定了该热电体系的最佳成分和最佳载流子浓度；（2）利用Mn调制了PbSe的能带结构，并引入了多尺度微结构，降低了晶格热导率，提高了材料的力学性能；（3）通过Sr/Mn共掺杂，进一步优化了PbSe的电输运性能，利用共掺杂引入的纳米尺度微结构降低了晶格热导率、提高了力学性能；（4）通过Sr/Mn共掺杂调制了PbTe的能带结构，从而Seebeck系数和功率因子都明显增大，并利用共掺杂引入固溶原子和小角晶界等微结构，显著增强了声子散射、降低了晶格热导率，所制备的p型材料在783 K时热电优值达到约2.0；（5）利用Se空位优化了PbSe的载流子浓度和电输运性能，增强了声子散射，提高了热电优值；（6）通过插入间隙Cu原子，在硫族铅化合物基热电材料中引入晶格间隙原子、位错、应力和纳米微结构等，利用间隙Cu原子的动态掺杂效应实现了宽温区的载流子浓度优化，而多尺度微结构则有效增强了声子散射、显著降低了晶格热导率，所制备n型PbTe和PbSe的热电优值分别达到1.4（@750 K）和1.45（@813 K）。我们制备的Sr/Mn共掺杂p型PbTe以及插入间隙Cu的n型PbTe和PbSe是高性能的纳米复合热电材料，具有潜在应用前景，可望用于中温温差电发电器件等。