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2015年以來第6篇!北航趙立東教授再發《Science》

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熱電效應,是當受熱物體中的電子(空穴),因隨著溫度梯度由高溫區往低溫區移動時,所產生電流或電荷堆積的一種現象。因此,利用熱電材料可以將熱能轉化為電能,對能源生產或固態冷卻具有吸引力。高性能熱電材料要求材料在大溫差下兼具高導電和低導熱,但是這通常是一對矛盾。

日前,北京航空航天大學趙立東團隊在熱電材料領域取得重要進展,通過調節晶體結構對稱性在層外方向改善了載流子在層間的遷移,從而促進了層間方向的電子遂穿, 發現用氯和鉛摻雜硒化錫顯著改善了寬溫度范圍內的熱電品質因數。相關論文以題為“High thermoelectric performance realized through manipulating layered phonon-electron decoupling”于今天(3月25日)發表在國際頂刊《Science》。據悉,這是趙立東教授課題組自2015年以來發表的第6篇《Science》,在2018年-2022年近5年來期間,年均發表一篇。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8997

平均無量綱熱電品質因數ZT決定了器件的發電和制冷效率。ZT越大則代表能量轉化效率越高。由于不同熱電參數間具有非常復雜的物理聯系,形成了緊密的聲子—電子耦合關系,這使得熱電性能的改善面臨挑戰。N 型硒化錫晶體沿面外方向表現出出色的三維電荷和二維聲子傳輸,有助于實現很高的最大品質因數Zmax,但適中的ZT為~1.1。

在這項研究中,趙立東教授團隊通過聲子-電子去耦發現氯摻雜和鉛合金硒化錫晶體在 748 開爾文時具有約4.1×10^?3每開爾文的有吸引力的高Zmax,在300至773開爾文時ZT為~1.7。氯引起的低變形勢提高了載流子的遷移率,鉛引起的質量和應變波動降低了晶格熱導率。聲子-電子去耦對于實現高性能熱電器件起著關鍵作用。

圖1 n型SnSe層外3D電子-2D聲子傳輸特性。

圖2 聲—電解耦增強n 型SnSe層外3D電子-2D聲子傳輸特性

總的來說,本研究發現用氯和鉛摻雜硒化錫顯著改善了寬溫度范圍內的熱電品質因數。 這種效應主要是由于與引入到n型材料中的質量和應變波動相關的材料變形潛力的改善。以這種方式提高品質因數是具有挑戰性的,因為材料的性能通常是相互交織的,試圖改進一個往往會降低其他性能。

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