徐骉教授团队通过烧结过程中反常的晶粒尺寸减小大幅优化n型PbTe热电性能的研究

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近日，我院徐骉教授团队通过烧结过程中反常的晶粒尺寸减小大幅优化n型PbTe热电性能，该研究成果以“Dramatic Enhancement of Thermoelectric Performance in PbTe by Unconventional Grain Shrinking in Sintering Process”为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials）上。南京理工大学为该项工作的第一完成单位和通讯单位。化学与化工学院博士研究生许鹏飞、赵玮分别为本文第一作者和第二作者，南京理工大学徐骉教授，付良威副教授和南方科技大学何佳清教授分别为第一，第二，第三通讯作者。
       纳米结构化，在引入多尺度的声子散射源调控声子输运的同时，又能引入大量界面来调控电子输运，是一种协同优化声电输运的有效策略。
       然而，在粉末样品成型的热机械加工过程不可避免地导致晶粒粗化从而弱化纳米结构效应。对此，传统的钉扎策略是通过在晶界上引入第二相通过阻碍晶界的迁移来达到抑制晶粒生长目的。不幸的是，在材料长时间服役过程中由于奥斯瓦尔德熟化，异质钉扎会逐渐失去抑制晶界迁移的能力。因此，开发一种不引入异质元素的前提下抑制晶粒生长的战略是有重大意义的。
        本文通过晶粒解理断裂策略，在抑制了Pb0.98Sb0.02Te纳米晶在烧结过程中晶粒粗化的同时，甚至发现了反常的晶粒尺寸减小现象。重要的是，在烧结过程中尺寸减小的晶粒在多次高温热电性能测试阶段没有进一步粗化。不同于之前异质钉扎抑制晶粒生长的策略，该研究推测造成这种异常的晶粒尺寸减小现象的原因是晶粒本身大量的位错滑移，塞积以及压力辅助的SPS烧结过程导致晶粒断裂速度超过了晶粒生长的速度，从而实现晶粒尺寸上的减小。
        此外，本文报道了在上述晶粒尺寸减小过程中形成的一种位错修饰和细小晶粒填充的多级晶界结构。这种多级晶界结构中特殊的双重晶界和位错加强了对声子的散射作用，使材料的晶格热导率降低到了非晶极限值附近，同时通过对电子选择性散射作用提升了材料的赛贝克系数。最终，得益于在烧结过程中反常的晶粒尺寸减小以及由此产生的多级晶界结构，Pb0.98Sb0.02Te块体样品在815 K取得了~1.9的峰值ZT并且在487 K的温差下实际热电转化效率达到了6.7%。本文要点如下所示：

要点1. 烧结过程中Pb1-xSbxTe纳米晶的演变的结构，形貌表征。

要点2. Pb1-xSbxTe样品晶界结构表征。

要点3. Pb1-xSbxTe纳米立方块在烧结过程晶粒生长/尺寸减小以及多级晶界形成过程的示意图。

要点4. Pb1-xSbxTe热电输运性能。

          该工作得到了国家自然科学基金、江苏省特聘教授、江苏省双创人才、南京大学化学与化工学院配位化学国家重点实验室、深圳市科技创新委员会基金会的支持。
       文章链接为: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202202949


     文章来源：南京理工大学
     徐骉，南京理工大学教授，1987年7月生于江苏省镇江市，2005-2014年于清华大学化学系获得本硕博学位，师从王训教授。2014-2017年于美国Iowa State University开展博士后研究，导师为Wu Yue教授。2018年受聘为南京理工大学教授，2018年入选江苏省特聘教授，2019年入选第十五批“国家海外高层次青年人才引进计划”。主要研究方向为纳米热电转换材料的合成、测试与理论分析。近五年来以第一作者或通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett.等期刊发表论文15篇。正在主持国家级及省级科研项目3项。