葡萄京棋牌下载388-澳门新娱乐场手机版

葡萄京棋牌下载388,新葡萄京棋牌手机版,新葡萄京娱乐场手机版企业自成立以来,以策略先行,经营致胜,管理为本的商,业推广理念,一步一个脚印发展成为同类企业中经营范围最广,在行业内颇具影响力的企业。

您的位置:葡萄京棋牌下载388-澳门新娱乐场手机版 > 公告 > 间隙Cu原子的动态掺杂效应和多尺度声子散射的协同效应,热电性能由无量纲优值

间隙Cu原子的动态掺杂效应和多尺度声子散射的协同效应,热电性能由无量纲优值

发布时间:2020-05-01 00:54编辑:公告浏览(74)

    近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所秦晓英研究员课题组在研究黝铜矿Cu12Sb4S13热电性能时发现,当S位Se替代和Cu位Zn替代时,Cu3SbS4杂质相含量发生显著变化,从而引起主相化学计量比的变化,导致S空位及空穴浓度的变化。最终由于载流子浓度的优化、界面势能量依赖的载流子散射大幅提高了功率因子,以及杂质和界面声子散射降低了热导率,提升了Cu12Sb4S13的热电优值。相关研究成果发表在Applied Physics Letters上。 Cu12Sb4S13-xSex 样品电阻率随温度的变化关系;(b) Cu12Sb4S13-xSex 样品中S空位引起的电子浓度变化;(c) Cu12Sb4S13-xSex 样品Seebeck系数随温度的变化关系;(d) Cu12Sb4S13-xSex 样品功率因子随温度的变化关系  随着社会的进步,能源和环境问题已成为新世纪人类面临的最严峻挑战。热电材料可在热能与电能之间进行直接转换,具有体积小、可靠性高、不排放污染物、适用温度范围广、环境友好等特点,成为目前的研究热点。近年来,黝铜矿Cu12Sb4S13由于其廉价的组成元素、低的本征晶格热导率和优异的电输运性质而引起了人们的极大关注。尽管Cu12Sb4S13具有超低的晶格热导率,但由于其过高的载流子浓度和较低的热电势,其热电性能仍然较低。目前研究大多采用高价元素Cu位掺杂降低优化载流子浓度、提高热电势,进而提升热电性能,但很少有人研究和关注元素替代对黝铜矿样品中杂相的形成及其对主相Cu12Sb4S13化学计量比的影响,从而引起热电性能的变化。  基于此,课题组研究人员通过熔炼和真空热压法制备了一系列不同含量的Se和Zn分别在S位和Cu位替代的Cu12Sb4S13样品。研究表明,同价替代(Se替代S)样品中,杂质相Cu3SbS4含量发生了显著变化,这引起Cu12Sb4S13化学计量比的改变,从而导致了S空位d的变化,由于S空位的变化引起电子浓度的变化(图1(b)),从而优化了载流子浓度。  为了进一步优化和改善Cu12Sb4S13-xSex的热电性能,研究人员在同价替代的基础上选择性能最优样品(Cu12Sb4S12.8Se0.2)再用Zn2+取代Cu1+进一步优化载流子浓度以及增强声子的杂质散射;同时双替代引起的杂相与主相的界面增强了声子散射、降低了热导率。另外,界面势可能造成的能量过滤效应引起热电势的提升。最终双替代样品Cu12-yZnySb4S12.8Se0.2,(y=0.025和0.05)热电优值高达0.9(723K),相对未掺杂样品(0.64)ZT值提升了41%(图2(c)),表明元素双替代能够有效调控并提升黝铜矿的热电性能。    (a) Cu12-yZnySb4S12.8Se0.2样品总热导率随温度的变化关系;(b) Cu12-yZnySb4S12.8Se0.2样品晶格热导率随温度的变化关系;(c) Cu12-yZnySb4S12.8Se0.2样品热电优值随温度的变化关系;(d) 我们获得的最大ZT值和已报道的高性能Cu12Sb4S13材料的最大ZT值

    热电材料可以将热能和电能进行直接转换而无需运动部件,也不排放任何有毒或温室气体;它可利用废热发电也可用于固态制冷。但目前热电材料的转换效率(用无量纲优值ZT表征)较低,难以大规模商业应用。因此如何提高其ZT值是目前热电材料领域研究的焦点和重点。

    动态原子行为示意图:低温下体系由PbSe基体及富Cu第二相构成;随温度升高Cu原子逐渐进入晶格间隙形成动态n型掺杂;高温下晶格间隙中的Cu剧烈振动,极大地降低了材料的热导率。

    以上工作得到了国家自然科学基金(11234012,11304327,11404348,11404350)、浙江省杰出青年基金(LR16E020001)、宁波市自然科学基金(2014A610011)和宁波市科技创新团队(2014B82004)的大力支持。

    近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所秦晓英研究小组在热电材料研究方面取得积极进展。相关成果已发表在J.Mater. Chemisty A及J.Mater. Chemisty C (2015,3,7045 - 7052)上。

    图片 1

    图3. BiCuOSe声子输运特性:热导率随温度变化;散射联合态密度随频率分布;xx与zz方向热导率及其比值;沿Г-X与Г-Z方向声子群速度随频率分布

    另外,BiSbTe是目前最好的室温附近的热电材料,也是唯一商业化应用的室温制冷热电材料。但如何提高其在100-200oC附近的热电性能以用于低级废热发电是极具挑战性和经济效益的课题。秦晓英领导的研究组及其合作者最近的研究表明,在BiSbTe基体中复合1vol.%Cu3SbSe4纳米颗粒以形成纳米复合材料。

    热电材料的载流子浓度是其电-热转换效率的决定性因素之一。然而,热电材料的最佳载流子浓度并不是一个定值,而是随温度而变化。因此,传统的掺杂方式并不能实现热电材料在全工作温区内的载流子浓度优化。近年来的研究表明,含有“动态原子”的化合物往往表现出奇异的电热输运性能,比如具有类液态Cu子晶格的Cu2Se化合物,以及具有金属-绝缘体转变的VO2化合物等。热电性能由电、热输运性能共同决定,因此是研究“动态原子”作用的理想体系。并且在理解“动态原子”作用机理的前提下,有望利用其对热电性能进行宽温域优化。

    此外,研究人员通过第一性原理计算研究了BiCuOSe的声子输运特性,热导率计算值与实验吻合。BiCuOSe的格林爱森常数在室温约为2.5,说明其具有强非谐性,从而导致极低的热导率。研究还表明,BiCuOSe中高频声子振动主要由氧原子贡献,并且其对总体晶格热导率的贡献超过了30%,这与一般材料中热导率通常由声学声子振动决定有很大差异;通过进一步研究,揭示了这些高频模式具有较强的色散、较高的群速度且与低频声子间的散射很弱,从而建立了BiCuOSe中高频声子对热导率有异常大贡献的物理图像。另外,还发现BiCuOSe沿不同方向的声子群速度及体弹模量具有很强的各向异性,这导致其晶格热导率呈明显各向异性。相关研究结果发表于Scientific Reports, 6, 21035 。

    本文由葡萄京棋牌下载388-澳门新娱乐场手机版发布于公告,转载请注明出处:间隙Cu原子的动态掺杂效应和多尺度声子散射的协同效应,热电性能由无量纲优值

    关键词: