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熱電能源轉(zhuǎn)換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)電能和熱能的直接相互轉(zhuǎn)化,具有安靜、可靠、易維護(hù)和體積小等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)余廢熱的回收應(yīng)用、全固態(tài)制冷等方面具有重要應(yīng)用前景。將熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際的主要障礙是低轉(zhuǎn)換效率,能量轉(zhuǎn)換效率直接取決于材料的無(wú)量綱熱電優(yōu)值z(mì)T。優(yōu)化熱電性能的一般策略是改善電輸運(yùn)性能和破壞熱輸運(yùn)路徑。熵工程是一種有效的方法,可以調(diào)節(jié)電輸運(yùn)性質(zhì)和晶格熱導(dǎo)率之間的微妙平衡,從而產(chǎn)生諸多不尋常的傳輸現(xiàn)象。當(dāng)元素種類(lèi)增加引起的△S大于焓增加量時(shí),減小的吉布斯自由能使晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。能量的變化表現(xiàn)為,合金元素溶解度極限的擴(kuò)展或熵驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定效應(yīng)。穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以保持原子的長(zhǎng)程排列順序,從而保持電輸運(yùn)框架。由于離子質(zhì)量,尺寸和鍵態(tài)的不匹配使晶格嚴(yán)重畸變,材料中存在短程無(wú)序的問(wèn)題。扭曲的晶格強(qiáng)烈散射熱傳導(dǎo)聲子,極大地降低了晶格熱導(dǎo)率,產(chǎn)生低的熱輸運(yùn)特性。
近日,中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究人員在SnTe熱電材料中,使用Ge,Pb,Sb,Mn多重元素共合金化,在結(jié)構(gòu)有序和無(wú)序之間得到平衡。多尺度層次結(jié)構(gòu)使簡(jiǎn)單面心立方樣品獲得了低于無(wú)序界限的晶格熱導(dǎo)率(0.3 W m-1 K-1)。中熵工程還促使能帶匯聚,增加了能帶有效質(zhì)量,從而提高了功率因子。
該工作展現(xiàn)了中熵工程在SnTe基熱電材料性能調(diào)控方面的應(yīng)用,為后續(xù)優(yōu)化材料熱電性能提供了新思路。相關(guān)成果以Fast Fabrication of SnTe via Non-Equilibrium Method and Enhanced Thermoelectric Propertied by Medium-Entropy Engineering為題發(fā)表在《材料化學(xué)雜志C》(Journal of Materials Chemistry C)上。相關(guān)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院的資助。
熱電性能隨溫度的變化
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