IV-VI族化合物的相变温度调控及其对热电输运性质的影响

IV-VI compounds are a large class of thermoelectric materials，including the traditional Pb-based system with cubic structure and novel Sn-based and Ge-based materials with lower symmetry. However, these new high performance thermoelectric materials usually undergo a structural transition around 400~600 degree, which leads to instability of thermoelectric properties, complexity of sample preparation and the reduction of the cycle life for thermoelectric devices. To address this problem, this project focused on the tuning of phase transition temperature, and the expanding of phase area in those systems via various solid-solution or doping; Studying the thermodynamic mechanism that drives the phase transformation, and clarifying the rules of doping/solution elements on the localized structure; Studying the band structure and phonon spectrum of IV-VI compounds with different crystal structures by first principle calculation, and explaining the regulation mechanism of temperature zone tuning-induced phase modulation on thermoelectric properties; Optimizing the carrier concentration with traditional methods, and finally achieving the high thermoelectric performance. The successful implementation of this project will deepen our understanding on the structure and thermoelectric transport properties of IV-VI compounds with phase transitions, realize high thermoelectric properties in certain systems, and provide useful insight for the optimization of thermoelectric performance in other thermoelectric materials.

IV-VI族化合物是非常重要的热电材料体系，包含传统的立方结构Pb基体系及新型的对称性较低的Sn基及Ge基材料。然而，这些新型高性能热电材料在400~600度附近存在结构相变，可能导致材料热电性能不稳定，制备工艺复杂化，并降低热电器件循环寿命。针对这个问题，本项目拟通过固溶/掺杂手段调整IV-VI族化合物相变温度，拓展其晶相温区范围；研究晶相转变的热动力学机制，阐明异质元素对局域结构的影响规律；通过第一性原理计算研究IV-VI族化合物不同晶相的能带结构及声子谱特征，结合热电输运参数的表征，探究晶相温度范围的调控对其热电性能的影响规律；结合传统手段优化载流子浓度，最终实现热电优值的大幅提升。项目的顺利实施将深化我们对IV-VI族化合物的结构及热电输运性质的理解，在特定体系中获得优异的热电性能，并为其他热电材料体系的性能优化提供经验和启示。

IV-VI族化合物是非常重要的热电材料体系，包含传统的立方结构Pb基体系及新型的对称性较低的Sn基及Ge基材料。然而，这些材料在400~600度附近存在结构相变，可能导致材料热电性能不稳定，制备工艺复杂化，并降低热电器件循环寿命。.针对这个问题，本项目通过固溶/掺杂手段调整IV-VI族化合物相变温度，拓展其晶相温区范围；研究晶相转变的热动力学机制，阐明异质元素对局域结构的影响规律；通过第一性原理计算研究IV-VI族化合物不同晶相的能带结构及声子谱特征，结合热电输运参数的表征，探究晶相温度范围的调控对其热电性能的影响规律；结合传统手段优化载流子浓度，最终实现热电优值的大幅提升。.项目取得的主要成果包括：1）研究了Ge（Se，Te）体系富Se一侧的晶相及热电材料随成分的变化，并通过Sb/Cd掺杂将原本热电性能极低的GeSe0.75Te0.25六方相调整为菱方相，最终使其热电优值提升一个量级；2）在GeTe、SnS、SnSe等体系的多晶中，通过各种固溶和掺杂手段调控了材料的各种热电输运性质；3）在GeSb2Te4中通过布里奇曼法生长了大尺寸单晶，研究了其各向异性输运性质，并通过In掺杂、Se固溶等手段实现了材料载流子浓度的优化、价带顶有效质量的提升、晶格热导率的降低，最终热电优值达到1以上。.项目的顺利实施深化了我们对IV-VI族化合物的结构及热电输运性质的理解，在特定体系中获得优异的热电性能，并为其他热电材料体系的性能优化提供经验和启示。