在過去的幾十年中，熱電材料（TE）因為能夠將廢熱轉化為有用的電能，而得到了系統和全面的研究。熱電材料的能量轉化效率ZT=S2σT/κ，其中S，σ，T和κ分別代表塞貝克係數，電導率，絕對溫度和熱導率。到目前為止，已經發現和開發了多種熱電材料，其中一些具有較高的ZT值，但由於整體性能不足，並不能廣泛用於各種應用。
有史以來報導的ZT的最大值是在單晶SnSe3中發現的ZT=2.6。然而最大ZT所對應的溫度為900K，其他方法在這個溫度下會具有更高的能量轉換效率。在300~400K的中低溫範圍內，大量的廢熱被排放到周圍環境中，目前還沒有任何有效的方法可以產生電能，因此，熱電材料的開發十分必要。到目前為止，基於Bi2Te3的材料在該溫度範圍內具有最佳性能，其ZT值高達2.08。然而，這些ZT值仍然存在爭議。
所有這些材料都具有非常小的晶格熱導率小於1.0W/m/K以及較大的功率因數PF=S2σ，其與適合於熱電材料的電子結構和最佳載流子濃度密切相關。S和σ都是與載流子濃度相關的函數：前者隨著載流子濃度的減少而增加，而後者隨載流子濃度的減少而減少。因此，科研工作者研究了許多材料的最佳載流子濃度，並且實現了幾百μV/K的塞貝克係數，幾個mΩ cm的電阻率，以及幾個mW/m/K2的功率因數。
近日，日本豐田工業大學發現 「金屬」Cu2Se在340-400 K溫度範圍內具有巨大的塞貝克係數，其中材料內發生有序-無序結構轉變，具有超過2.3W/m/K2的功率因數值。這個數值是在不尋常的溫度梯度下觀察到的，該溫度梯度不僅適用於與塞貝克測量方向平行的方向，同時也適用於垂直的方向。在非常小的晶格熱導率（小於1.8W/m/K）的支持下，ZT值超過450。這些巨大的S，PF和ZT值是在低溫階段獲得的，這是由於持續高溫所引起的自調整載流子濃度的結果。該成果以題為」Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu2Se」發表在Nat. Commun.上
(a,b).室溫和473K下，同步輻射粉末衍射圖案
(c).Cu2Se在高溫和低溫下的晶體結構
(d).相分數隨溫度的變化
(a).塞貝克實驗裝置
(b).實驗所測得的塞貝克係數
(c).熱電動勢的原始數據
(a).電阻率
(b).功率因數
(c).導熱率
(d).比熱和熱擴散率
(e).ZT值
(f).ZT溫度依賴性異常行為區域顯示兩個峰值
(g).ZT溫度依賴性中所觀察到平臺區
(a).電子密度
(b).區域放大
(c).計算的塞貝克係數隨化學勢能的變化
在這個工作中，作者發現在同時施加於平行和垂直測量方向的溫度梯度下，金屬Cu2Se在發生結構相變的較窄溫度範圍內（340K<T<400K）顯示出兩個信號反轉和超過±2mV/K的巨大S值。具有超過600 S cm-1的較大幅度的σ的金屬行為導致S2σ=2.3W/m/K2的巨大值。小於2W/m/K的小熱導率導致ZT值超過400。
Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu2Se
(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07877-5)
本文由材料人學術組gaxy供稿，材料牛整理編輯。
投稿郵箱
tougao@cailiaoren.com
投稿以及內容合作可加微信
cailiaorenvip
材料人重磅推出特色計算服務，為廣大材料&化學科技工作者提供包括第一性原理計算、有限元計算、分子動力學計算、流體力學計算、相圖計算等一系列材料計算代算服務，以及相關的計算指導、培訓服務。如有需要，歡迎掃碼添加客服諮詢（微信號：cailiaoren001)