新型無機(jī)非金屬材料研究

qingxin12

中科院上海新型無機(jī)非金屬材料研究所研究員史迅,、陳立東,、張文清、許鈁鈁與美國加州理工大學(xué)等機(jī)構(gòu)的學(xué)者合作,，提出在固態(tài)無機(jī)非金屬材料中引入具有局域“液態(tài)”特征的離子來降低熱導(dǎo)率和優(yōu)化熱電性能,，突破晶格熱導(dǎo)率在固態(tài)玻璃或晶態(tài)材料上的限制。相關(guān)成果日前發(fā)表于《自然—材料學(xué)》雜志,，并申請中國發(fā)明專利,。審稿人對該文給予高度評價(jià)，認(rèn)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(zhuǎn)換技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的塞貝克（Seebeck）效應(yīng)和帕爾貼（Peltier）效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)化,，在工業(yè)余熱和汽車尾氣廢熱發(fā)電等領(lǐng)域具有重要而廣泛的應(yīng)用,。熱電技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于材料的本征物理特性，通�,？捎蔁犭妰�(yōu)值來衡量,，而熱電優(yōu)值取決于不銹鋼材料的Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率,、熱導(dǎo)率和絕對溫度,。
傳統(tǒng)的高性能熱電能量轉(zhuǎn)換材料為固體晶態(tài)化合物。近年來,，以方鈷礦和籠合物材料為典型代表的籠狀化合物熱電性能的優(yōu)化,，以及通過納米結(jié)構(gòu)降低晶格熱導(dǎo)率提升熱電性能的研究均取得了顯著進(jìn)展,，其熱電優(yōu)值超過1.5。然而,，晶態(tài)化合物中晶格熱導(dǎo)率的降低受制于結(jié)構(gòu)的長程有序性,，其最低極限（最小晶格熱導(dǎo)率）與完全無序的玻璃態(tài)相當(dāng)，限制了熱電性能繼續(xù)優(yōu)化的空間,。
史迅等人發(fā)現(xiàn)了一類具有“聲子液體—電子晶體”特征,、完全不同于傳統(tǒng)晶態(tài)熱電化合物的新型熱電材料體系,，拓展了熱電材料的設(shè)計(jì)理念,。研究表明，在具有高溫反螢石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體硒化二銅化合物中,，硒原子可形成相對穩(wěn)定的面心立方亞晶格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，而銅離子則無序分布在硒亞晶格網(wǎng)絡(luò)的間隙位置進(jìn)行自由遷移。硒亞晶格提供了良好的電輸運(yùn)通道,，具有“液態(tài)”特征的可自由遷移銅離子不但可強(qiáng)烈散射晶格聲子來降低聲子平均自由程,，而且由于消減了部分剪切方向晶格振動橫波模式而降低了材料的晶格熱容，突破了晶態(tài)和玻璃態(tài)材料的晶格聲子熱振動與輸運(yùn)限制,。
初步結(jié)果表明,，硒化二銅顯示了優(yōu)良的熱電性能，其熱電優(yōu)值可超過1.5,，與目前發(fā)現(xiàn)的高性能晶態(tài)熱電材料相當(dāng),，并有望通過優(yōu)化摻雜等手段進(jìn)一步提升。同時(shí),，該研究工作提出的“聲子液體”概念可以很好地解釋許多含銅和銀離子的半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)的電熱輸運(yùn)行為及其規(guī)律,，為新熱電化合物的探索以及傳統(tǒng)熱電材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供了新的方向和途徑。