Adv. Mater.：以熵为材料基因表达指标提高热电材料性能

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——材料人编辑部  

【引言】

热电转换技术具有无需传动部件、尺寸小、可靠性高等诸多优点，因而成为新能源技术中的研究热点。目前热电材料的研究核心在于寻找高热电优值的材料和如何有效提高热电材料的ZT值，而材料基因组工程为此开辟了一条高通量之路。材料基因组工程通过材料计算、材料合成和表征及数据库技术，整合与协同，快速甄别决定材料性能的关键基本因素，通过材料的性能优化和新材料的设计，实现科学化的“系统寻优”，大大缩短新材料研发应用周期。

【成果简介】

中科院上海硅酸盐研究所的陈立东研究员、史迅研究员和南方科技大学的张文清教授（共同通讯作者）等人于Adv. Mater上发表了文章“Entropy as a Gene-Like Performance Indicator Promoting Thermoelectric Materials”，研究者提出了采用材料中的“熵”这一具有类似基因特性的基础参量作为热电材料的性能表征参数，实现对多元热电材料的快速筛选，发展了计算多元热电材料体系熵的模型与方法，并结合计算与实验对一系列多元体系进行了筛选、设计和验证，发现通过调节熵能够调控和改善材料的热电输运性能。该项工作是材料基因工程研究方法在热电材料上成功应用的重要体现，丰富了“材料基因工程”理念的研究领域和内容。

【图文导读】

图1通过熵工程增强热电性能

A) 多组分材料与单一晶体材料的晶格结构对比图

B) 多组分TE材料的熵工程示意图。 红线和黑线分别表示构型熵（ΔS）和形成焓（ΔH）

C) 最大构型熵（以kB为单位）与多组分TE材料的材料溶解度参数δ的函数关系图，其中n为组分数

D) Cu₂(S/Se/Te)-、(Cu/Ag)(In/Ga)Te₂-、Cu₈Ge(Se/Te)₆-基等多组分热电材料最大ZT值与构型熵的关系图

图2 多组分热电材料中的固溶度和能量估算

A) 二元体系中平均剪切模量(G)与R(—)*(R*)²/Z的散点分布图

红色线和黑色线分别表示溶解度为0.5和0.01的曲线

B) 内部应变能、熵增与组分数量(n)的函数关系图

黑色实线表示构型熵贡献的能量

图3 Cu₂S_1/3Se_1/3Te_1/3的3D原子探针断层扫描检测

A) 离子质谱

B) 3D-原子面扫图

C) 四种元素最近邻原子分布曲线图

黑线表示假设所有原子在材料中均匀任意分布的计算值

图4 多组分热电材料的晶格热导率和Seebeck系数

A) κ_L与构型熵的关系图

B) (Cu/Ag)(In/Ga)Te₂-和Cu₂(S/Se/Te)-基多组分材料的室温α 与构型熵的关系，其载流子浓度范围分别为(1.0–2.0) × 10¹⁹ 和(1.0–3.0) × 10²¹ cm⁻³.

【小结】

该研究团队首先建立了弹性力学模型一系列对二元和多元热电材料体系的固溶特性进行了评估，获得了决定体系构型熵上限的本征固溶因子d 判据，根据该判据可对各种热电材料体系能否实现高熵固溶进行有效筛选，成功高通量预测了多元热电材料 (Cu/Ag)(In/Ga)Te₂、Cu₂(S/Se/Te)、(Mn/Ge/Sn/Pb)Te，该模型也有望应用于其他非热电材料体系。

文献链接：Entropy as a Gene-Like Performance Indicator Promoting Thermoelectric Materials（Adv. Mater, 2017, DOI: 10.1002/adma.201702712）

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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