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我国学者在高效热电材料研究领域取得新进展
发布:lee_9124   时间:2018/6/5 22:47:36   阅读:620 
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图. “二维声子/三维电荷”传输图示:(a)导带底的电子产生离域杂化,增大电荷密度,为电子在层间传输提供通道,声子和空穴受到层的界面阻挡;(b)不受轨道限制的飞机 (声子)受到高山(层界面)的阻挡,火车(电子)可以穿越隧道,而汽车(空穴)由于轨道不匹配不能穿越隧道。

在国家自然科学基金项目(项目编号:51571007,51602143,51772012)等资助下,北京航空航天大学赵立东教授、南方科技大学何佳清教授、黄丽教授和王克东教授、清华大学李敬锋教授、中国科学院上海应用物理研究所朱方圆副研究员和香港大学陈粤教授研究团队开展二维层状结构N型硒化锡的热电性能研究,研究结果以“3D Charge and 2D Phonon Transports Leading to High out-of-plane ZT in n-type SnSe Crystals”(三维电荷/二维声子传输实现N型硒化锡层外高热电优值)为题,于2018年5月18日在Science(《科学》)上在线发表,论文链接:http://science.sciencemag.org/content/360/6390/778。

热电转换技术是一种利用热电材料直接将热能与电能进行转换的技术,因其系统体积小、可靠性高、适用温度范围广等特点被广泛关注,特别是在深空探测和航天探测器领域具有重要应用价值。热电转换效率是该技术关键性能指标,它主要取决于热电材料的平均热电优值(ZT值)。从ZT值的定义来看,高效热电材料应具有大的温差电动势、优异的电导率和低的热导率。但由于这几个热电参数之间存在复杂的制约关系而使得实现高热电优值成为一个巨大的挑战。

最近,赵立东教授等研究团队利用硒化锡(SnSe)的层间最低热传导特性(二维声子传输),通过电子掺杂促进离域电子杂化,实现了电子在n型SnSe层间的隧穿(三维电荷传输)。这一现象可以简单描述为:本征的SnSe的层状结构就像一堵墙,可以同时阻碍声子和载流子(电子和空穴)的传输。但通过重电子掺杂后,导带底的电子离域杂化现象增大了电荷密度,在墙和墙之间为电子量身定制了一条传输的隧道,(如图所示)。这种“二维声子/三维电荷”传输特性使得二维层状结构的SnSe材料在保持低热传导率的同时还拥有优异的电导率,从而大幅提高n型SnSe晶体的ZT值。此研究将为探索新型高效热电材料提供新思路。


来源: 工程与材料科学部
 
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