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研究领域
高性能热电材料的设计、制备与性能优化 当前位置:首页 >  研究领域 > 无机非金属材料结构设计及新材料探索 > 热电转换材料与器件研究课题组 > 研究领域 > 高性能热电材料的设计、制备与性能优化

  1、声子液体电子晶体材料 (类液态材料):

  研究发现,由于横波和纵波对热传导的共同贡献,传统固态材料的晶格热导率很难突破固态玻璃的极限。我们近期得研究表明,在Cu2-δXX=S, SeTe)超离子导体化合物晶体结构中,Cu离子高度无序地分布于刚性立方的Se原子框架之中,具有类液态的超离子迁移行为。这种类液态现象可以减弱横波振动对热传导的贡献,同时增加对声子输运的散射,使得Cu2-δX具有极低的晶格热导率,表现出“声子液体“的特征。同时,刚性立方的Se原子框架为载流子提供了良好的电输运通道,使其表现出”电子晶体“的特征。因此,Cu2-δXX=S, SeTe)作为一种“声子液体电子晶体”材料,具有优良的热电性能,其ZT值最高达1.5-1.7,可与传统热电材料相媲美。基于这种 “声子液体电子晶体”的概念,有望进一步探寻开发更多新型的高性能热电材料。此外,我们的最近研究结果表明,Cu2Se在二级相变过程中存在剧烈的临界散射效应,引起塞贝克系数的急剧增加和晶格热导率的快速下降,进而导致在该温度区间Cu2Se可实现极为优良的热电性能。这一研究结果有望应用于微电子元件在室温附近的快速制冷等领域。 

  

类液态材料的晶体结构

  Cu2Se材料的相变和热电性能

  2、类金刚石结构:

  立方相材料的电子能带结构具有高简并度、多能谷的高对称性特征,这使得其往往具有优良的电输运性能和高的功率因子。迄今为止所发现的大部分高性能热电材料都具有立方结构,如SiGePbTe, skutterudites, half-heusler, Mg2Si, Cu2Se。然而,自然界中非立方结构的化合物种类要远多于立方结构化合物。如何从众多的非立方结构化合物中筛选出新型高性能热电材料成为了当前研究所面临的巨大挑战。基于近期对类金刚石热电材料的研究,我们提出了一种筛选热电材料的赝立方结构原理,在此类结构中部分长程有序离子构成立方或者接近立方的框架,为载流子提供优良的输运通道,而其它部分离子在短程上形成具有不同键长、键角和排列方式的不规则四面体,可以阻碍热声子输运。这一微观结构设计思路为探索高热电性能的非立方结构材料体系提供了新的研究思路和指导工具。 

  3、笼状化合物:

  笼状化合物代表一大类具有潜在优良热电性能的半导体材料,如filled skutteruditeclathrates。在这类材料中,笼状化合物的框架结构可以为载流子提供优良的电输运通道,而笼状结构中心原子由于与框架成键往往较弱,因此可以强烈散射热输运声子,大幅度降低晶格热导率。这种独特的笼状结构为电、热输运的协同调控提供了可能。 

  4、有机热电材料和有机/无机复合热电材料

  有机热电材料具有原材料丰富、轻便可弯曲、可溶液加工、价格便宜且热导率低等优点,在室温及低温区域有着良好的应用前景,已经得到了越来越多的关注。本课题组以有机热电材料和有机/无机复合热电材料为主要研究对象,通过研究有机分子的化学结构、微观分子链的排布状态、掺杂离子以及有机/无机界面对材料电热输运的影响,探索有机热电材料的微观结构特征与电热传输参数的依存关系,探明热电性能优化的结构调控原则和方法,在此基础上期待设计合成高性能的有机热电材料。目前的主要研究方向包括:(1)导电聚合物/无机纳米复合材料的设计制备和热电性能优化;(2)小分子外延制备高度有序的导电聚合物及其热电性能优化原理。

  

  高性能SWNT/PANI复合热电材料

 

小分子外延制备高度有序的P3HT热电薄膜

  5、热电薄膜与微型热电薄膜器件:

  随着微电子系统集成度的不断提高,功耗不断降低,目前电子工业对具有长寿命的自持式微型电源和快速高效的微型散热系统需求巨大。热电薄膜器件可实现电热的快速转换,具有高制冷密度、小温差发电等独特优势。开发高效热电薄膜器件涉及到高性能热电薄膜、低界面电阻、器件优化设计与模拟、制造工艺开发等。目前的研究包括碲化铋基薄膜的纳米化和织构化及其电热输运性能调控、高定向硒化亚铜薄膜的制备及其低温相变区热电性能研究、薄膜器件的制造技术与工艺开发、材料界面电阻及其优化方法等。 

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