Adv. Mater.：利用能带收敛与晶格位错提高PbTe热电性能

【引言】

热电材料的热电性能用热电优值zT衡量，zT = S²σ T/(κ_Ε + κ_L)，其中的Seebeck系数S、电导率σ、电子热导率κ_Ε具有强烈的耦合作用，因此很难通过改善单一性能来提高zT值。通过能带工程对这三个参数去耦合作用已经在IV-VI族半导体和其他一些材料中成功应用，可以增加导电通道来提高电导率而不改变Seebeck系数；或是可以通过最小化独立参量晶格热导率κ_L来提高zT值，如引入点缺陷、纳米结构、高密度位错等。

【成果简介】

近日，同济大学裴艳中教授（通讯作者）课题组利用能带工程将新合金EuTe的热电优值增大到1.7左右，然后增加Na的含量发现位错密度增加，再继续增加Na含量时位错密度逐渐减少而出现纳米沉淀物，材料中的主要微观缺陷从点缺陷转为高密度位错再转为纳米沉淀物，这个转变过程得到多种缺陷类型从而引入多种散射机制，降低晶格热导率至0.4 W m⁻¹ K⁻¹以下（已经接近于非晶体材料的晶格热导率极限），提高zT至2.2，这个研究成果提供了一种新的可能性即可以利用位错工程来提高材料的热电性能。

【图文导读】

图1. 能带工程

a) Pb₂₇Te₂₇和EuPb₂₆Te₂₇能带结构图

b) 室温下Na_xPb_1−xTe和Na_yEu₀₃Pb_0.97Te的光吸收系数

c) PbTe:Na与Mn₀₃Pb_0.97Te:Na、Yb_0.01Pb_0.99Te:Na、Eu_xPb_1−xTe:Na室温Seebeck 系数(S)对霍尔载流子浓度(nH)关系对比图

d)不同缺陷构型的Pb₃₀EuNaTe₃₂中总能量计算值与Na-Eu间距的函数关系图

图2. ZT曲线图

a) Na₀₂Eu_xPb_0.98−xTe的ZT曲线图

b) Na_yEu₀₃Pb_0.97−yTe的ZT曲线图.

利用能带工程得到ZT_峰值≈1.7利用位错工程使ZT进一步增大到约2.2

图3. NayEu_0.03Pb_0.97−yTe微结构

a) 无明显位错                            

b) y = 0.02的样品的纳米沉淀物

c) y = 0.025的样品的纳米沉淀物，初步观察到位错

d) y = 0.025的样品的纳米沉淀物密度增加

e)y = 0.03的样品较低位错的图像

f)y = 0.03的样品较高位错的图像

g) 位错放大图

h)纳米沉淀物放大图

图4. 位错密度的确定

a) X射线衍射图谱

b) 修正Williamson–Hall图法进行峰宽化分析

图5. 晶格热导率

a) 850K时NayEu₀₃Pb_0.97−yTe的晶格热导率与y的关系曲线图，黑色圆圈代表本研究实验结果，绿色圆圈代表文献结果，曲线为不同声子散射类型的基于德拜近似的预测曲线，可以看出位错对晶格热导率的降低作用最大

b) Na₀₂₅Eu_0.03Pb_0.945Te不同声子散射机制（包括正规过程和倒逆过程）造成的累积晶格热导率减少量与声子频率关系图

【小结】

本研究用能带工程收敛了EuTe的第一价带和第二价带，增加了PbTe的带隙宽度，将zT提高到1.7，然后通过调节Na_γEu_0.03Pb_0.97−γTe中Na的含量，使主要微观缺陷发生点缺陷-高密度位错-纳米沉淀物的转变。得到在γ=0.025时，晶格热导率最小，此时zT≈2.2，充分证明了位错工程在提高材料热电性能方面具有有效作用。

文献链接：Lattice Dislocations Enhancing Thermoelectric PbTe in Addition to Band Convergence（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201606768）

本文由材料人编辑部电子电工学术组zzzlx整理编译。

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