南洋理工&美国西北大学J Am Chem Soc：间隙态和声子工程提高n型PbTe热电性能

【前言】

在化石燃料的利用过程中，大部分能量以废热的形式被排放到周围环境，造成了大量温室气体排放、严重的空气污染和能源危机。如何回收利用这些热能并提高能源利用效率，进而缓解环境污染问题和能源危机，是摆在人类面前的一个重要挑战。热电材料能够实现热能和电能的直接相互转换，在废热回收利用和微电子集成器件制冷等领域具有广泛的应用前景。提高材料热电优值（ZT），尤其是平均热电优值（ZT_avg），是提高器件转换效率并最终得以实际应用的关键。具有高ZT值的热电材料必须同时具有高电导率、大Seebeck系数以及低热导率。然而，由于这些参数在热和电传输过程中具有强的关联性，使得ZT值的提高异常艰难。

【成果简介】

碲化铅（PbTe）是一种典型的中温热电材料。p型PbTe性能优异，ZT峰值可达2.5左右。然而，n型PbTe的ZT峰值仅为1.8左右，ZT_avg约为1。对于热电器件的制备，需要性能匹配的p型和n型热电材料。性能较差的n型热电材料严重限制了PbTe在热电器件方面的应用。因此，如何有效的提高n型PbTe的热电性能尤为重要。为此，新加坡南洋理工大学颜清宇教授课题组、美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授课题组与合作者，近期在n型PbTe材料中实现了热电性能的突破。所研制的n型材料在400-773K温度区间ZT_avg达到1.27，是n型PbTe热电材料报道的最高值。

该研究的主要策略包括：(1)前期的研究成果表明，Ga掺杂可以在PbTe中引入浅能级施主态和深能级施主态。进一步通过Ga掺杂和Ge合金化，可以有效调节能带结构，在禁带中引入两条间隙态。第一性原理和Boltzmann输运计算表明，该间隙态提高了载流子有效质量和Seebeck系数，与实验测试结果相吻合。（2）偏心的掺杂Ge原子能够有效的软化声子振动模式，产生低频振荡，降低晶格热导率。（3）另外，Ga₂Te₃纳米析出相进一步降低了晶格热导率。相比于前期Sb掺杂的PbTe，在同样浓度的Ge合金化条件下，样品微结构表征显示为固溶体。而该研究工作中，Ga掺杂成功的引入纳米析出相，与固溶体体系相比较，纳米析出相极大的降低了晶格热导率。综上，Ga掺杂和Ge合金化不仅调控能带结构优化了n型PbTe材料的电输运性能，并且引入纳米相和偏心原子增强了声子散射，有效提高了热电优值，尤其是平均热电优值。

【图文导读】

图1.能带结构调控和声子工程策略提高n型PbTe热电优值。

图2. Pb_0.98Ga_0.02Te-5%GeTe样品的微观结构表征。

图3. Ga掺杂和Ge合金化的n型PbTe平均热电优值ZT_avg和其他n型PbTe热电材料的比较。

相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society DOI: 10.1021/jacs.9b09249上。文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b09249。

本文由新加坡南洋理工大学颜清宇教授课题组供稿。

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