【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】2019年9月27日，Science雜志刊登了北京航空航天大學(xué)趙立東教授課題組在熱電材料研究上取得的新進(jìn)展：《High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals》，發(fā)現(xiàn)并利用硫化錫(SnS)的多個(gè)能帶隨著溫度的演變規(guī)律，通過引入Se優(yōu)化調(diào)控了有效質(zhì)量和遷移率的矛盾，在儲(chǔ)量豐富、成本低廉、環(huán)境友好的SnS晶體材料中實(shí)現(xiàn)了高的熱電性能(Science, 2019, 365, 1418-1424, DOI: 10.1126/science.aax5123)。
 

　　熱電材料因其固態(tài)的熱能和電能相互轉(zhuǎn)化效應(yīng)，這些年一直是材料科學(xué)和固體物理研究的前沿和熱點(diǎn)。表現(xiàn)突出的熱電材料主要集中于IV-VI族化合物，比如：GeTe，PbTe，PbSe，PbS，SnTe，SnSe等。這些化合物中，Ge、Te含量稀有，Pb高毒性。因此，開發(fā)廉價(jià)無毒的高性能的熱電材料對(duì)于提升熱電材料的環(huán)保特性與應(yīng)用價(jià)值具有重要意義。
 

　　SnS結(jié)構(gòu)與高性能熱電材料SnSe類似，而且原料更加豐富廉價(jià)，但其載流子遷移率較低，限制了熱電性能。
 

　　熱電材料不但需要好的電導(dǎo)率，也需要大的溫差電動(dòng)勢(shì)，這是一對(duì)受載流子濃度制約的矛盾。該工作主要集中在溫差電動(dòng)勢(shì)和電導(dǎo)率的優(yōu)化上，即有效質(zhì)量m*和遷移率μ的協(xié)同調(diào)控(也是一對(duì)矛盾)，調(diào)控的優(yōu)化程度可由品質(zhì)因子β來衡量，β∝μ(m*)3/2。實(shí)驗(yàn)上，首先通過變溫同步輻射測(cè)試獲得了不同溫度下的原子占位信息，結(jié)合電子能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)在SnS材料中存在多個(gè)價(jià)帶隨溫度的協(xié)同互動(dòng)。即多個(gè)價(jià)帶經(jīng)歷了收斂(增加有效質(zhì)量和減小遷移率)，相交(收斂與分離)，以及分離(減小有效質(zhì)量和增加遷移率)三個(gè)過程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這一多價(jià)帶隨溫度的演變過程可以通過在SnS中引入Se實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)，如圖1所示。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Se的引入還可使多價(jià)帶尖銳化(減小有效質(zhì)量和增加遷移率)，而且還可促進(jìn)更多的價(jià)帶(第四個(gè)價(jià)帶)參與傳輸(維持較大的有效質(zhì)量)。引入Se后，在遷移率提升的同時(shí)，維持了大的有效質(zhì)量，從而獲得了大的品質(zhì)因子β，使SnS晶體在整個(gè)溫區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了很高的電傳輸性能，甚至優(yōu)于具有多價(jià)帶傳輸特性的SnSe晶體(Science, 2016, 351, 141-144)。SnS晶體的大ZT值從～1.0提高到～1.6，整個(gè)溫區(qū)內(nèi)平均ZT值達(dá)到～1.25。