纳米SiC弥散碲化铋基复合材料的热电性能及其增强机理研究

Thermoelectric materials that enable direct conversion between thermal and electrical energy have received increasing attention from various disciplines. Creating a composite structure by incoporating nanophases into a thermoelectric compound matrix is an effective approach to enhance thermoelectric figure of meirt (ZT), due to reduced thermal conductivity through enhancing phonon scattering. Moreover, on such a basis, increasing power factor is becoming more and more important by decoupling Seebeck coefficients and electrical conductivity, which may be possible in the nanostructured composites. This project will be focused on nano-SiC-dispersed Bi2Te3-based composites, in which the energy filtering effect may exist, with an empahsis on the influence of the volume fraction and size of nanodispersions and interface nanostructure on Seebeck coefficient and electrical conductivity as well as thermal conductivity. We are also planning to investigate how energy filtering effect works in thermoelectric nanocomposites containing the same or different type semiconducting dispersions, so that a deeper understanding of its physical fundamentals in nanocomposite structures can be achieved. The eventual purpose of this project to provide more guidances for thermoelectric research.

热电材料具有能够实现热能与电能相互直接转换的功能，相关研究日益受到多个学科的关注。在热电化合物基体中引入纳米尺度第二相，形成纳米复合结构成为提高热电性能优值（ZT值）的有效途径。在利用纳米弥散相的声子散射增强效应降低材料热导率的基础上，如何利用纳米复合结构实现Seebeck系数与电导率的相对独立调控，从而显著提高功率因子成为目前热电材料研究的重要方向。本项目拟围绕可能存在能量过滤效应的纳米SiC弥散碲化铋基复合材料，结合理论分析和实验重点研究纳米弥散相含量与大小以及界面结构对复合材料的Seebeck系数、电导率、热导率的影响规律，理清能量过滤效应在同型与异型纳米复合热电材料中的作用机制，勾画出更清晰的纳米复合结构能量过滤效应物理图像，为研发高性能纳米复合热电材料提供指导。

碲化铋（Bi2Te3）基热电材料是室温附近性能最优异的热电材料，在电子制冷与控温领域已广泛应用，并有望用于低中温废热发电技术，因此其性能提升受到业界和学界的极大关注。本项目围绕纳米SiC弥散碲化铋基复合材料的热电性能及其增强机理开展了研究，取得以下主要进展：.（1）通过研究缺陷化学反应和组成与电热输运特性的关系确定了n型Bi2(Te,Se)3的最佳组成，进一步优化织构工艺条件ZT值在较低温度（200oC）达到1.1的高性能材料。该工作揭示了结晶取向调控与纳米复合的重要性，发表在《NPG Asia Materials》上，并被该刊以“Thermoelectrics: a new wrinkle on energy harvesting”为题作为重点报道。（2）基于以上工作，研究SiC/Bi2(Te,Se)3复合材料的热电及力学性能。发现SiC纳米颗粒复合显著影响缺陷浓度而降低载流子浓度，降低电导率，但增大Seebeck系数。发现通过Cu掺杂可以调节载流子浓度，在较宽温度（200-300 oC）获得较高ZT值。在Bi2(Te,Se)3基体中的纳米SiC颗粒弥散具有弥散强化的作用，少量SiC复合增大抗弯强度72 %。代表性论文发表在 Advanced Science.（3）对比研究了SiC纳米颗粒弥散对n型PbSe热电性能的影响。发现与Bi2(Te,Se)3不同，在PbSe中混合SiC纳米颗粒显著提高载流子浓度。进一步发现，在n型PbSe中混合SiC以外的惰性纳米颗粒也能起到同样作用。基于此发现，提出了一种基于惰性纳米颗粒复合的“机械掺杂”机制，论文发表在J. Mater. Sci. C上，受到同行的极大关注。（4）发展了Bi2Te3基热电材料的制备技术。开发了一种固液相共存熔融离心工艺，成功在BiSbTe热电材料中引入了大量位错阵列和微孔。TEM结果结合德拜模型分析表明，大量的位错强烈散射低中频声子，进一步降低热导率。论文发表在Advanced Materials。.项目在Adv. Mater.、Adv. Sci.、J. Am. Chem. Soc.等期刊上共发表27篇SCI论文，申请发明专利1项，课题负责人作大会报告2次和邀请报告8次，参与主办国际热电材料大会一次（ICT/ACT 2016）国际会议，培养博士生5名。