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2015年以来第6篇!北航赵立东教授再发《Science》

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热电效应,是当受热物体中的电子(空穴),因随着温度梯度由高温区往低温区移动时,所产生电流或电荷堆积的一种现象。因此,利用热电材料可以将热能转化为电能,对能源生产或固态冷却具有吸引力。高性能热电材料要求材料在大温差下兼具高导电和低导热,但是这通常是一对矛盾。

日前,北京航空航天大学赵立东团队在热电材料领域取得重要进展,通过调节晶体结构对称性在层外方向改善了载流子在层间的迁移,从而促进了层间方向的电子遂穿, 发现用氯和铅掺杂硒化锡显着改善了宽温度范围内的热电品质因数。相关论文以题为“High thermoelectric performance realized through manipulating layered phonon-electron decoupling”于今天(3月25日)发表在国际顶刊《Science》。据悉,这是赵立东教授课题组自2015年以来发表的第6篇《Science》,在2018年-2022年近5年来期间,年均发表一篇。

论文链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8997

平均无量纲热电品质因数ZT决定了器件的发电和制冷效率。ZT越大则代表能量转化效率越高。由于不同热电参数间具有非常复杂的物理联系,形成了紧密的声子—电子耦合关系,这使得热电性能的改善面临挑战。N 型硒化锡晶体沿面外方向表现出出色的三维电荷和二维声子传输,有助于实现很高的最大品质因数Zmax,但适中的ZT为~1.1。

在这项研究中,赵立东教授团队通过声子-电子去耦发现氯掺杂和铅合金硒化锡晶体在 748 开尔文时具有约4.1×10^−3每开尔文的有吸引力的高Zmax,在300至773开尔文时ZT为~1.7。氯引起的低变形势提高了载流子的迁移率,铅引起的质量和应变波动降低了晶格热导率。声子-电子去耦对于实现高性能热电器件起着关键作用。

图1 n型SnSe层外3D电子-2D声子传输特性。

图2 声—电解耦增强n 型SnSe层外3D电子-2D声子传输特性

总的来说,本研究发现用氯和铅掺杂硒化锡显着改善了宽温度范围内的热电品质因数。 这种效应主要是由于与引入到n型材料中的质量和应变波动相关的材料变形潜力的改善。以这种方式提高品质因数是具有挑战性的,因为材料的性能通常是相互交织的,试图改进一个往往会降低其他性能。

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