秦晓英课题组调控新型硒化物显著提高其热电转换性能

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近期，中科院合肥研究院固体所能源材料与器件制造研究部秦晓英研究员课题组在Cu2SnSe3材料体系热电性能调控方面取得新进展。研究人员利用能带结构综合调控与多维缺陷散射声子显著提升了Cu2SnSe3的热电性能，使得Cu2Sn0.82In0.18Se2.7S0.3的热电优值ZT在858K时高达1.51，为Cu2SnSe3基材料的热电性能调控提供了新思路。相关研究结果发表在ACS Nano 上。
　　热电技术作为有望解决能源问题的新途径，近年来引起广泛关注。热电材料的转化效率由热电优值ZT表示。Cu2SnSe3 是一种组成元素廉价、环境友好的新型热电材料，但其ZT值较低，只有约0.2。目前对于Cu2SnSe3热电性能的优化主要是通过Sn位掺杂提高空穴浓度，然而这种掺杂会导致热电势的大幅下降和电子热导率的显著提升, 使得ZT值的提升有限。此外，大多数研究只通过引入一到两种缺陷来降低材料的晶格热导率，很少利用多维缺陷（0维到3维）的引入实现对声子的全频谱散射，进一步降低晶格热导率。

图1. Cu2SnSe3 (a)和Cu2SnSe2.5S0.5 (b)的能带结构；(c) Cu2SnSe3-xSx的态密度；掺In (d)和Sn空位(e)对Cu2SnSe2.6875S0.3125能带结构的影响；(f) Cu2Sn1-y-zInySe2.6875S0.3125的态密度。　　

　　 　　

　　图2. Cu2Sn0.82In0.18Se2.7S0.3样品的TEM微结构表征和GPA应变分析。　　

　　  　　

　　图3. (a)晶格热导率随温度变化图, 其中实心球为实验数据, 实线为理论计算结果；(b)考虑不同声子散射机制时κs随频率变化关系；PF(c)和ZT (d)随热电势变化图，其中点为实验数据，实线为计算结果。　　

　　   　　

　　图4. 858 K时Cu2SnSe3的最高ZT值与其它研究结果对比。

　　鉴于此，研究人员采取元素替代/空位对其能带结构进行综合调控。研究表明，Se位固溶硫可以有效的增宽带隙和提高价带顶的态密度（如图1），使得Cu2SnSe3高温热电势从170提高至277 μVK-1；而Sn位掺In会造成多轻带/能谷参与输运，显著提高了能带简并度和态密度（如图1），进而大幅提高该化合物的电导率和热电势。与此同时，研究发现在Sn位重掺In可以诱导形成多维缺陷（如Sn空位、位错、相界/孪晶界和CuInSe2纳米析出相，如图2），实现对声子的全频谱散射从而大幅降低晶格热导率 （如图3(b)）。最终，Cu2SnSe3的最高ZT值在858 K时可达到1.51，是目前本体系报道的最高值 （如图4）。
　　该工作得到国家自然科学基金的支持, 理论计算在中科院超算中心合肥分中心完成。
　　文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c03120。


　　文章来源：合肥研究院
       秦晓英，博士、研究员、博士生导师。研究方向：功能材料与纳米材料。获奖及荣誉：大尺寸定向金属双晶和三晶的研制，获1991年中科院科技进步三等奖；NSM-1型清洁界面纳米固体材料制备装置，1992年中科院科技进步二等奖；纳米材料奇异物性的实验和理论研究，2000年安徽省自然科学二等奖。参与了探月工程二期着陆机构缓冲材料研制课题。