西安交大科研人员在高效中低温热电材料研究方面取得新进展

热电材料可以实现热能与电能的直接相互转换，在余热发电以及电子制冷等方面有重要应用。为推动热电技术在近室温附近的应用，亟需开发高性能的中低温热电材料。热电器件的转换效率取决于材料的无量纲热电优值ZT，（ZT=S2σT/κ，其中S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率，T为工作温度）。发展高性能热电材料的关键是解耦上述热电参数，实现电声输运的独立或协同调控。在半导体热电材料中，小尺度位错缺陷结构被发现是解耦电声输运的一种有效方法。然而，半导体热电材料中的位错密度相对较低，对低温区的电声解耦调控作用有限，很难整体提升中低温区热电性能。

针对这一问题，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室肖钰特聘研究员与北航赵立东教授合作，提出了一种重合金固溶结合间隙原子掺杂提升半导体热电材料位错密度的方法。实验以PbSe半导体热电材料为例，通过大量Te/S合金固溶结合Cu间隙原子掺杂使基体位错密度高达5.4×1016m-2。基体中广泛分布的小尺寸位错聚集形成位错网络，引起晶格畸变产生应力，大幅增强全温区声子散射，使室温晶格热导率降低至0.42 W m-1K-1，且在300-773K温度范围内始终低于0.5 W m-1K-1（图1）。研究还发现，与阳离子空隙引入的位错体系相比，通过金属间隙原子引入的位错因具有局部电子传导特性，可以很好保持N型热电材料的电传输性能。最终在Pb1.02Se0.72Te0.20S0.08-0.3%Cu样品中获得高的近室温功率因子，室温ZT值高达0.62（图2）。低温区（300-573 K）和中低温区（300-773K）的平均ZT值（ZTave）分别达到0.90和0.96，优于前期报道的PbSe基热电材料。实验证明，重合金固溶结合间隙原子掺杂是一种提升半导体热电材料位错密度的有效方法，为设计宽温域高效半导体热电材料提供了新思路。

图1 a晶格热导率随着固溶与掺杂的变化趋势； b刃位错和螺位错分布；

c-e刃位错微观结构分析； f-h螺位错微观结构分析

图2.N型PbSe基热电材料性能的对比

该研究成果以《高密度位错提升PbSe的中低温热电性能》（Dense dislocations enable high-performance PbSe thermoelectric at low-medium temperature）为题日前发表于《自然-通讯》（Nature Communications）。西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为论文第一单位，西交大材料学院博士生徐莉青为论文第一作者，西交大肖钰特聘研究员、北航赵立东教授和中物院崔博博士为论文共同通讯作者。

论文链接地址：https://www.nature.com/articles/s41467-022-34227-3