上海大學重要突破!首個具有優異柔性和熱電性能的無機非晶材料

2021-01-21 中化新網

傳統的無機晶體熱電材料雖然具有優異的熱電性能，但是塑性和可加工性差。本文發現了迄今為止首個不僅具有優異塑性變形性能，而且具有優良電輸運性能和熱電性能的無機非晶材料，同時該新材料尚具有巨大的性能優化空間，對熱電材料、非晶材料乃至半導體材料領域都具有重要科學意義。

熱電材料由於能夠通過內部載流子的運動實現熱能和電能之間的直接相互轉換，在溫差發電和熱電製冷方面具有實用價值，因而受到了廣泛的關注。傳統的無機晶體熱電材料（如Bi2Te3，GeTe和PbTe等）雖然具有優異的熱電性能，但是由於晶體結構中較強的離子鍵和/或共價鍵，通常表現出較差的機械性能，特別是塑性和可加工性差，在彎曲、拉伸和壓縮應力下易於斷裂導致器件損壞，限制了熱電材料的實際應用。近年來可穿戴式設備、微型晶片等的迅猛發展，迫切需要基於熱電轉換技術的自供電電池和微型製冷器件等，同時這也對熱電材料的機械性能提出了更高的要求。

上海大學材料學院駱軍教授對Ag2Te基熱電材料進行了持續深入研究，最近指導碩士生何世洋、李永博發現了一種兼具優異柔性和熱電性能的無機非晶熱電材料Ag2(Te,S)。相關研究結果發表在Science Advances，上海大學為第一單位，上海大學材料科學與工程學院碩士生何世洋和李永博為共同第一作者，上海大學駱軍教授、南方科技大學張文清教授和美國麻省理工學院陳剛教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助。

論文連結：https://advances.sciencemag.org/content/6/15/eaaz8423

研究表明，Ag2(Te,S)基體為非晶，少量微晶均勻分散在非晶基體中。該材料不僅具有優異的拉伸、壓縮和彎曲等塑性變形性能，而且具有優良的電輸運性能和熱電性能。Ag2(Te,S)優異的形變性能和可加工性能主要來源於非晶剪切帶，而優異的電輸運性能則歸因於其超高的載流子遷移率。特別是該非晶材料展現出非同尋常的電性能，室溫載流子濃度高達8.6×1018cm-3，霍爾遷移率達到750cm2·V-1·s-1，功率因子高達5.7×10-4W·m-1·K-2，顯著優於常規非晶材料。其中霍爾遷移率比已發現的非晶材料高出兩個數量級，功率因子至少高一個數量級。

Ag2Te0.6S0.4的結構與性能：（a）少量微晶均勻分散在非晶基體中；（b）彎曲性能；（c）載流子遷移率；（d）無量綱熱電優值。

同時，由於該材料自身的結構無序特徵，導致極低的晶格熱導率，因而展現出優異的熱電性能。該材料的室溫無量綱熱電優值達到0.22，300oC時接近0.70。利用該材料製備的單臂面內柔性器件在50K溫差下，輸出功率可達3.47×10-6W，輸出功率密度達2.9W·m-2，優於絕大多數現有的柔性熱電器件。考慮到該新材料尚具有巨大的性能優化空間，可望在柔性熱電器件、傳感器、甚至更多領域具有重要應用價值。

Ag2(Te,S)是迄今為止發現的首個具有優異柔性和熱電性能的無機非晶材料，該材料的發現在一定程度上突破了傳統窄帶隙半導體熱電材料的限制，拓展了無機熱電材料的多功能性和研究範疇，對熱電材料、非晶材料乃至半導體材料領域都具有重要科學意義。


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