刘玮书课题组在纳米复合热电材料研究方面取得系列进展

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近日，南方科技大学材料科学与工程系副教授刘玮书课题组在高含量的Mg2Sn/Mg3Sb2纳米复合热电材料和同成份异结构Pnma Bi2SeS2-Pnnm Bi2SeS2纳米复合热电材料方面取得研究新进展，相关成果分别发表在ACS Applied Materials & Interfaces和Nature Communications上。
        在高含量Mg2Sn/Mg3Sb2纳米复合热电材料方面，刘玮书课题组提出了利用具有高Kapitza热阻的异质界面强烈散射声子的降低晶格热导率策略，提升了Mg2Sn基体相的热电性能。相关成果以“Enhanced Thermoelectric Performance by Strong Phonon Scattering at the Heterogeneous Interfaces of the Mg2Sn/Mg3Sb2High-Content Nanocomposite”为题发表在ACS旗下综合性期刊ACS Applied Materials & Interfaces上。
        该研究详细阐述了在高含量Mg2Sn/Mg3Sb2纳米复合材料中，两相界面处的混乱原子结构对声子输运产生强烈的散射作用，其异质晶界热阻Rk=7×10-7 m2 K W-1（30-150 °C）和8.2×10-7 m2 K W-1（150-500 °C），较多晶体晶界热阻（或Kapitza热阻Rk）低了一个数量级。Mg2Sn基体相的晶格热导率大幅度降低，其室温晶格热导率1.09 W m-1 K-1，较纯相多晶Mg2Sn降低了79%。在500 °C温度下，Mg2Sn/Mg3Sb2-0.02 Te纳米复合材料的ZT达1.13，超过组元单相Mg2Sn和Mg3Sb2的热电性能（如图1）。

Mg2Sn/Mg3Sb2异质界面所具有的高RK，使得高含量纳米复合材料的晶格热导率大幅度降低，提升ZT值，为纳米复合热电材料提供了新思路。

       刘玮书课题组2017级博士生朱永滨为论文第一作者，刘玮书为论文通讯作者。

图1高Kapitza热阻的Mg2Sn/Mg3Sb2异质界面有效降低了Mg2Sn基体相的晶格热导率

         Bi2SeS-2热电材料是刘玮书在博士后阶段发现的一个新型热电材料体系（W. S. Liu, et al., Energy Environ. Sci., 2013, 6, 552-560）。2016年后，刘玮书与深圳大学范平、李甫课题组开展在Bi2SeS-2材料体系方面的合作。近期，研究团队发现过量的Br掺杂将诱导Pnma Bi2SeS-2基体相部分转变为Pnnm Bi2SeS-2基体相策略，原位合成具有共格界面的准同成份异结构（hoC-heS）的纳米复合材料，使材料的声子散射显著增强的同时，对电子的输运影响甚微，从而达到优化复合材料热电性能，使得热电优值在500 oC提升到1.12。相关成果以“Homo-composition and Hetero-structure Nanocomposite Pnma Bi2SeS2 - Pnnm Bi2SeS2 with High Thermoelectric Performance”为题发表在Nature旗下高水平期刊Nature Communications上。

图2Bi2SeS2的纳米组成和晶体结构示意图。(a)根据纳米复合材料的基体相和纳米析出相的晶体结构和化学组成差异的三种纳米复合材料。目前大多数报道的纳米复合材料属于异成份和同结构（heC-hoS）或异成分和异结构（heC-heS）。(b)Pnma Bi2SeS2 - Pnnm Bi2SeS2（hoC-heS）纳米复合材料内部输运机制的结构和示意图。

         不同于以往报道的异成份同结构（heC-hoS）或异成份和异结构（heC-heS）纳米复合材料，该研究利用掺杂诱导相转变实现同成份异结构（hoC-heS）的纳米复合材料，属于一类新型的纳米复合热电材料（如图2）。该研究所提出的Pnma Bi2SeS2 - Pnnm Bi2SeS2组成的同成份异结构纳米复合材料，由于两相之的细微结构差异，在基体和第二相之间形成相干界面。通过掺杂诱导相变设计具有同质组成和异质结构的纳米复合材料，实现电热输运性能的协同调控以增强热电性能，为设计高性能纳米复合材料提供新的策略。深圳大学博士后Bushra Jabar，副研究员李甫、郑壮豪为论文共同第一作者，深圳大学教授范平、李甫和刘玮书为论文共同通讯作者。刘玮书课题组2017级博士生朱永滨也对该研究作出了重要贡献。
        上述纳米复合的相关研究得到了国自然基金面上项目、科技部重点专项、广创团队项目、广东省自然基金、SUSTech-MIT机械工程教育科研中心和腾讯公益基金会“科学探索奖”项目等的支持。


        论文链接：
       1、https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.1c16299
       2、https://www.nature.com/articles/s41467-021-27564-2


       文章来源：南方科技大学
        刘玮书主要从事热电材料与器件研究，目前已经在Proc. Natl. Acad. Sci USA、Nat. Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等学术期刊发表学术论文90余篇，论文总引用超过6000次，H指数38；已申请专利28项，获得授权中国专利16项、美国专利3项、国际专利1项，参与了两部英文专著中5个章节的编写；应邀在美国TMS、国际陶瓷年会CICC、中国热电大会等重要学术会议作特邀报告；获首届腾讯“科学探索奖”，深圳市孔雀计划人才（B类）； 任中国材料研究学会下属热电材料及应用分会理事，英国物理学会IoP旗下杂志Nanotechnology咨询委员会成员。