發現晶體微觀結構高性能熱電材料

2020-11-25 人民網

原標題：中科院上海矽酸鹽所：發現晶體微觀結構高性能熱電材料

　　中科院上海矽酸鹽研究所科研人員與美國密西根大學和西北大學研究人員合作，合成了一種既不同於尋常晶粒取向隨機的多晶材料、也不同於無晶界的單晶材料、具有高度取向性的馬賽克晶體熱電材料，從而實現了類似玻璃材料的極低熱導率和晶體材料的優異電輸運性能，其熱電優值遠高於普通多晶材料體系。相關研究成果日前發表於《先進材料》。

　　除太陽能和風能等綠色能源外，自然界和人類活動中還存在著能量巨大的耗散餘廢熱未被有效回收利用。基於熱電轉換材料的新型清潔能源技術可將這些低品質的熱能回收轉換成有用的電能，具有零排放、安全可靠和使用溫度範圍廣等顯著優點。

　　具有馬賽克晶體微觀結構的材料具有極其優異的熱電性能。傳統馬賽克晶體的製備一般採用閃冷法，即將材料加熱至高溫，採用超快冷卻迫使結構中的缺陷無法擴散至材料表面。然而，熱電材料的熱導率一般很小，無法獲得足夠快的冷卻速度，因而具有馬賽克晶體微觀結構的熱電材料的研究一直是個空白。

　　上海矽酸鹽所史迅、許鍅鍅、陳立東等研究發現，在Cu2S1-xTex固溶體中，利用S和Te兩種陰離子原子質量和原子半徑的巨大失配，可以在塊體熱電材料中實現馬賽克晶體微觀結構，並得到了非常反常的完全固溶體化合物。Cu2S1-xTex固溶化合物室溫為單相材料，具有高對稱性的六方晶體結構。經歷973K高溫後，馬賽克晶體結構的特徵依然保留，比其他材料體系表現出明顯的競爭力。（記者黃辛）

相關焦點

  • 中美合作發現晶體微觀結構高性能熱電材料—新聞—科學網
    中科院上海矽酸鹽所
  • 上海矽酸鹽所等在n型高性能類金剛石結構熱電材料研究中獲進展
    ，許多新的高性能熱電材料體系也相繼被發現。其中，類金剛石結構化合物由金剛石結構衍生而來，由於構成元素的原子半徑和化學價態不同，材料的晶格發生扭曲，從金剛石的立方結構轉變為非立方結構。類金剛石結構化合物的本徵低熱導率和可調控的電學性能使其有望成為優異的熱電材料。
  • 金屬所高性能柔性複合熱電材料研究取得重要進展
    【觀察者網綜合報導】 近期，中國科學院金屬研究所邰凱平研究員課題組、劉暢研究員課題組與合作者研製出一種高性能碲化鉍/單壁碳納米管（Bi2Te3/SWCNT）柔性熱電材料。，可使用離子束、飛秒雷射等微納加工方法將其裁剪成任意幾何形狀和轉移至各種類型的基底上，有利於靈活方便地製備各種結構的熱電器件，甚至可以通過靜電力等非接觸式方法操控該複合熱電材料。
  • npj: 納米結構熱電材料—計算的威力
    海歸學者發起的公益學術平臺分享信息，整合資源交流學術，偶爾風月理論計算和預測在先進高性能熱電材料的發展中發揮越來越重要的貢獻概括地說，目前相關研究已找到了四種典型的計算策略，並增強了納米結構體材的熱電性能。但這些進展尚未得到細緻梳理和綜述。來自美國西北大學的Christopher Wolverton領導的研究小組綜合了最近的重要研究進展，揭示了納米結構熱電體相材料設計和發現的計算策略的規律。到目前為止，已經用高ZT > 2證明了幾種體積熱電材料的優異熱電性能。
  • 熱電材料向含量更豐富、毒性和成本更低的熱電技術領域邁近了一步
    對於給定的熱電材料，熱電技術的轉換效率主要由品質因數（ZT）所決定。雖然利用頻帶收斂、頻帶平坦化或狀態密度（DOS）失真來可以優化功率因數，通過引入納米結構或全尺度分層體系結構可以降低熱導率，上述兩者都可以改善ZT，但是這些方法都存在成本高或者未解決本質問題。因此，開發出高性能且低成本的熱電材料將非常有助於推廣熱電技術的應用領域。
  • 「聲子液體」助熱電材料實現突破
    審稿人對該文給予高度評價，認為其拓展了已有的「聲子玻璃—電子晶體」概念至「聲子液體—電子晶體」，為熱電材料的研究方向提供了新的可能性。 史迅介紹說，熱電轉換技術利用半導體材料的塞貝克（Seebeck）效應和帕爾貼（Peltier）效應實現熱能與電能直接相互轉化，在工業餘熱和汽車尾氣廢熱發電等領域具有重要而廣泛的應用。
  • 先進熱電材料與器件設計的研究進展
    綜述從熱電轉換基本原理出發，總結了近年來高性能熱電材料與器件設計的最新研究進展，包括不斷完善的熱電性能優化機制、先進的熱電材料與器件製造工藝，能帶和結構工程的廣泛應用、多維熱電材料的應用前景及探索，以及多元化的熱電器件設計思路。2.
  • 合肥研究院在新型熱電材料物理機制研究中獲進展
    該研究通過求解聲子和電子玻爾茲曼輸運方程，理論計算發現Pyrite型ZnSe2具有良好的熱電性質；基於對材料中原子成鍵情況和聲子振動性質的分析，解釋其具有低晶格熱導率的物理機制。理解高性能熱電材料中的物理機制是尋找、設計和優化材料熱電性質的基礎。張永勝課題組已通過高通量方法發現Pyrite型ZnSe2是潛在高性能熱電材料，並發現其是由廣泛存在的廉價元素組成的立方晶體。然而，其中的物理機理並未得到詳細的分析研究。利用更精確的理論計算方法驗證該材料的良好熱電性能並解釋其中的物理機制，可以幫助拓展熱電材料的種類並豐富現有的熱電理論。
  • 進展|近室溫熱電材料α-MgAgSb低熱導機制的中子散射研究
    熱電材料可以實現熱能和電能的相互轉換，在溫差熱發電、固態製冷及低溫下穩定工作的太空衛星製冷器等方面擁有巨大的應用市場。儘管對熱電效應的研究始於19世紀20年代初期，但商業化的熱電器件能量轉化效率長期以來達不到實際應用能量轉化效率不小於10%的需求，主要原因是傳統熱電材料品質因數ZT值較低。α-MgAgSb-基熱電材料具有近室溫高品質因數(450 - 550 K：ZT~1.4)，成為重要的高熱電性能材料。
  • 北航再發今日Science:高性能熱電材料走向廉價與環保
    >美東時間9月26日，北京時間9月27日，Science在線發表北京航空航天大學、新加坡國立大學、南方科技大學、清華大學、日本國立先進工業技術研究院、中國原子能研究院、中國工程物理研究院、高能物理所、河南師範大學、以及深圳量子科學研究院題為High thermoelectric performance inlow-cost SnS0.91Se0.09 crystals的研究長文，報導低價環保熱電材料研究的重要進展
  • 綜述:環境友好的高性能低成本Mg2Si基熱電材料
    熱電轉換技術的轉換效率取決於熱電材料的無量綱優值ZT的大小，ZT值越大，轉換效率越高；其中，ZT = a2σT/(kL+ke)（a：材料的Seebeck係數，σ：材料的電導率，kL：材料的晶格熱導率，ke：材料的電子熱導率），高的轉換效率要求材料具有高的Seebeck係數和電導率以及低的熱導率。
  • 什麼是熱電材料呢?
    熱電材料以其獨特的性能成為一種很有發展前途的功能材料, 它的應用包括溫差發電和溫差製冷。什麼是熱電材料呢？熱電材料是一種利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料。人們對熱電材料的認識具有悠久的歷史。1823年，德國人塞貝克（Seebeck）發現了材料兩端的溫差可以產生電壓，也就是通常所說的溫差電現象。
  • 「聲子液體」優化熱電性能
    審稿人對該文給予高度評價，認為其拓展了已有的「聲子玻璃—電子晶體」概念至「聲子液體—電子晶體」，為熱電材料的研究方向提供了新的可能性。 史迅介紹說，熱電轉換技術利用半導體材料的塞貝克（Seebeck）效應和帕爾貼（Peltier）效應實現熱能與電能直接相互轉化，在工業餘熱和汽車尾氣廢熱發電等領域具有重要而廣泛的應用。
  • 科學:冷中子用於追求更好的熱電材料
    儘管它們具有多功能性和可靠性，但是在許多應用中使用熱電技術仍然是一個挑戰，因為與傳統的電源和加熱或冷卻系統相比，它們具有相對高的成本和低效率。為了獲得最大效率，熱電材料既需要良好的電導體，又需要在相同材料中很少發現導熱性差的導體。
  • 科學家發現了一系列有前景的新的熱電材料
    總部位於佛羅裡達州立大學的美國國家強磁場實驗室的研究人員在其他科學家忽視的材料區間，發現了一類名為「1-2-20s」的材料，具有非常較好的熱電特性，為進一步研究這些材料打開了一扇大門。該研究發表在Science Advances上。
  • 引入新的熱傳導理論,以尋求高效熱電材料!可行嗎?
    究人員開發了一種新穎的微觀理論，可以用非常普遍的方式描述熱傳輸，同樣適用於有序或無序的材料，如晶體或玻璃，以及介於兩者之間的任何東西。新方程還首次對熱電材料的性能進行了準確預測。這種材料具有超低、玻璃般的導熱性，在能源研究中受到高度重視。它們可以把熱量轉化成電能，或者不需要泵和有害環境的氣體就可以用電來冷卻。晶體和玻璃傳熱的方式根本不同，晶體中原子的規則排列意味著熱量是通過振動波的傳播來傳遞——例如，在計算機的矽晶片中就發生了這種情況。
  • 裴豔中教授課題組熱電材料研究取得系列重要進展
    熱電能源轉換技術利用溫差驅動電子定向遷移，實現熱能與電能的直接轉換，是清潔能源技術的典型代表。然而，要獲得與現有熱機相當的轉換效率，材料的平均熱電優值(zT)需達3.0左右，現有研究zT峰值可達2.0左右。因此，提高材料熱電性能是提升轉換效率並推進其大規模應用的關鍵。      裴豔中教授2012年加盟我校材料科學與工程學院，在高性能熱電材料研究與開發方面取得了系列進展。
  • 2010年材料的微觀結構-一級註冊結構工程師基礎輔導
    建築材料的性質與其結構、構造有著密切關係。也可以說材料的結構、構造是決定建築材料性質的極其重要因素。因此，要掌握建築材料性質，合理使用材料並能解決某些工程問題的話，就需要具備材料結構、構造的有關知識。
  • 裴豔中課題組在《Joule》發文揭示最高效熱電材料
    熱電材料溫差發電示意圖（Joule期刊第1卷第4期封面）      熱與電轉換效率的提高需要熱電材料自身性能的優化（由熱電優值大小表示），即增強電傳輸性能並同時減弱熱傳輸性能，使之如金屬般導電卻如玻璃般絕熱。高晶體對稱性材料通常具有高的能帶簡併度，有多條等效通道同時參與電子的運輸，有利於獲得高的電導率；而低對稱性材料則往往具有複雜的晶體結構，有利於獲得低的熱導率。
  • EES重磅:分層梯度結構設計,誘發PbTe基熱電材料的超高熱電響應
    三元系CuSbSe2-合金化的PbTe化合物，即CumPb100SbmTe100Se2m (CLAST)，能夠表現出優異的n型熱電輸運行為，而且具有可平衡聲子和載流子輸運的銅基分層沉澱和夾層結構！在Energy & EnvironmentalScience最近（12月）刊出的一篇文章中，研究人員發現，在CLAST中，少量合金化的CuSbSe2（~3）可使室溫下的載流子濃度提升至1.7*1018cm-3的水準，並且能夠優化功率因子，同時在基體中析出嵌入的Cu基納米結構，降低晶格的熱導率。