清華大學林元華教授和南策文院士給您支招提高熱電薄膜能量轉換

2020-09-03 英文刊Materiomics

二維薄膜材料，有望突破電子和熱傳導之間的相關性，為優化熱電材料的性能提供了可能。清華大學林元華教授和南策文院士等對提高熱電薄膜能量轉換性能的策略和相關機制進行了綜述，將發表在Journal of Materiomics第6卷第3期494-512頁，題目為Thermoelectric thin films: Promising strategies and related mechanism on boosting energy conversion performance。您可訪問：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352847820300095，隨時隨地免費下載！


內容梳理

為設計高性能的熱電器件， 在過去的幾十年中，研究者們提出了一些有效的策略以及相關物理概念，例如量子約束效應，能量過濾效應，能帶結構調整和界面工程。本綜述對用於熱電薄膜的主要策略進行了總結，包括製備超晶格結構，形成二維電子氣（2DEG）系統，取向調節，應變工程和磁控法。

超晶格的獨特結構和能帶排列提高了熱電性能。利用約束效應，可以改變能級並引入更多的導帶能谷，即載流子袋裝工程。利用調製摻雜有助於增強超晶格的功率因數。同時，作者對PbTe基、Bi2Te3基、ZnO基、SiGe基、GaSb/InAs基的超晶格薄膜的熱電性能和機理進行了分析。並總結：II型銻化物超晶格熱電器件適用於低溫環境，Bi2Te3/Sb2Te3超晶格器件應在室溫下使用。此外，基於PbTe/PbTeSe器件應在中等高溫下使用。至於Si/Ge，它們可以在高溫熱電器件中使用。

Patterns of DOS (a) and carrier pockets (b) in bulk materials and quantum-well materials

Carrier pocket configurations of Si/Ge multilayer

由於二維電子氣（2DEG）局限於二維空間中，費米能附近的態密度增大，從而導致載流子有效質量增加，進而塞貝克係數也得到改善。作者對通過2DEG效應提高熱電性能的高質量研究工作進行了總結，包括SrTiO3、AlGaN/GaN、In4Se3。

Schematic illustration showing 2DEG occurs at the interface in heterostructures

取向差角越大，勢壘高度越高。因此，擇優取向有利於減少晶界散射並提高載流子遷移率。特別對於具有明顯各向異性的材料，使晶體取向儘可能平行於面內方向有利於提高面內性能。

Texture coefficients of Sb-doped GeTe films as a function of sputtering pressure

應力對於薄膜材料的熱電性能至關重要。應力對電性能的影響主要是對能帶結構的調整。通常，薄膜的熱導率隨著壓縮應變的降低和拉伸應變的增加而降低。

Thermal conductivity and high-frequency vibrational peak of Bi2Te3 thin film as a function of strain

磁控法，例如施加磁場、摻雜磁性納米顆粒、利用磁性薄膜，可調控材料的熱電性能。但缺少摻雜磁性納米顆粒對薄膜熱電性能的影響。

(a) Seebeck effect and spin Seebeck effect. (b) Illustration of the spin Seebeck effect

展望

相比於塊體材料，薄膜材料的熱電性能研究很少。測量薄膜的熱導率較為困難是原因之一。未來的研究工作應著重尋求一種快速簡便的方法來表徵熱性能，並希望研發出更多的新方法來提高綜合性能，比如：添加納米線在薄膜中、研發有機-無機複合薄膜、採用二維層狀材料。

為了以後更廣泛的工業應用，要重視薄膜材料的機械性能和化學穩定性以及生產效率。


亮點

  • Superlattice introduces confinement effect and promotes interface scattering, enhancing the thermoelectric properties.
  • Giant enhancement of Seebeck coefficient could be realized in two-dimensional electron gas (2DEG) systems.
  • Orientation regulation can reduce grain boundary scattering and improve the mobility.
  • The strain effect is related to the change of band structure and phonon spectra.
  • Magnetic manipulation includes applying magnetic field, doping magnetic nanoparticles and exploiting magnetic thin films.


Journal of Materiomics（JMAT），是由中國矽酸鹽學會和Elsevier合作出版的英文期刊,現已在ScienceDirect上發布了第六卷第1期（2020年），同時，正在籌備的第2期和第3期已有文章也均有頁碼。點擊文末「閱讀全文「可免費獲取所有論文全文。

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