第6篇!北航赵立东教授发:《Science》!
2022年3月24日,北京航空航天大学赵立东及奥地利科学技术学院Chang Cheng共同通讯在Science 在线发表题为“High thermoelectric performance realized through manipulating layered phonon-electron decoupling”的研究论文,该研究通过声子-电子去耦发现氯掺杂和铅合金硒化锡晶体在 748 开尔文时具有约 4.1 × 10−3 每开尔文的有吸引力的高 Zmax,在 300 至 773 开尔文时 ZTave 为约 1.7。氯引起的低变形势提高了载流子的迁移率。铅引起的质量和应变波动降低了晶格热导率。声子-电子去耦对于实现高性能热电器件起着关键作用。
另外,2021年7月30日,北京航空航天大学赵立东及南方科技大学何佳清共同通讯在Science 在线发表题为“Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments”的研究论文,该研究通过 Pb 合金化开发了具有宽带隙 (Eg ≈ 33 kBT) 的 SnSe 晶体,并具有有吸引力的热电性能。铅合金化促进的动量和能量多带对齐导致在 300 K 时具有~75 μW cm-1 K-2 的超高功率因数,以及平均品质因数 ZT为~1.90。该研究发现 31 对热电器件可以产生 ~4.4% 的发电效率和 ~45.7 K 的冷却 ΔTmax。这些结果表明宽带隙化合物可用于热电冷却应用。总之,本工作首次尝试了基于SnSe晶体材料的多对热电器件的装配与性能表征,结果表明其能够实现显著的温差发电效率和通电制冷性能。这一研究表明宽带隙SnSe晶体可作为电子制冷材料的巨大潜力。且SnSe材料具有成本低、储量丰富和重量小等优势,具有十分重要的应用价值。
2021年7月8日,北京航空航天大学赵立东及南方科技大学何佳清共同通讯在Science 在线发表题为“Momentum and energy multiband alignment enable power generation and thermoelectric cooling”的研究论文,该研究采用协同调控动量空间和能量空间的多价带传输策略,实现了P型SnSe晶体性能的大幅提升;并搭建了基于SnSe晶体材料的器件,不但实现了温差发电,还实现了大温差的电子制冷。通常认为能带间隙Eg 在 (6-10) kBT(其中kB为玻尔兹曼常数和T为开氏温度)范围内的材料为理想的制冷材料,但本工作表明能带间隙约为33 kBT的SnSe晶体材料也具有电子制冷的巨大潜力,且具备成本低、储量丰富和重量小等优势。
2019年9月27日,北京航空航天大学赵立东课题组在Science 在线发表题为”High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals“的研究论文,该研究发现并利用硫化锡(SnS)的多个能带随着温度的演变规律,通过引入Se优化调控了有效质量和迁移率的矛盾,在储量丰富、成本低廉、环境友好的SnS晶体材料中实现了高的热电性能 。
2018年5月18日,北京航空航天大学赵立东与南方科技大学何佳清共同通讯在Science在线发表题为”3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals“的研究论文,该研究显示773开尔文处平面外的n型硒化锡(SnSe)晶体的最大ZT为〜2.8±0.5。层状SnSe晶体中的热导率在平面外方向上最低(2D电荷传输)。该研究用溴掺杂了SnSe,制得了具有重叠层间电荷密度(3D电荷传输)的n型SnSe晶体。连续的相变会增加对称性,并使两个会聚的导带发散。这两个因素改善了载流子迁移率,同时保留了较大的塞贝克系数。该研究发现可应用于2D分层材料中,并提供了一种新的策略来增强平面外电传输性能而不会降低热性能。
2016年1月8日,北京航空航天大学赵立东及美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis共同通讯在Science在线发表题为”Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe“的研究论文,该研究报告了创纪录的ZTdev〜1.34,在孔掺杂硒化锡(SnSe)晶体中ZT从0.7到2.0在300到773开尔文之间实现。卓越的性能来自超高功率因数,超高功率因数归因于SnSe中存在的多个电子价带的贡献,而实现的高电导率和强大的塞贝克系数。SnSe是在低温和中温范围内用于能量转换应用的强大热电候选物 。
热电转换技术是一类基于半导体材料的新能源技术。因存在基于Seebeck效应的温差生电现象而被广泛关注。但是温差发电的逆效应(Peltier效应,J. C. Peltier, Ann. Chim. Phys. 56 (1834) 371-386.)可实现通电制冷却被关注的较少。电子制冷具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点,且工作可靠,操作简便,易于进行冷量调节,可用于耗冷量小和占地空间小的场合,如电子设备和无线电通信设备中重要元件的冷却,这对于未来通讯、5G芯片的微型电子器件等科技自立自强、引领前沿领域的精确温控具有重要意义。
图1. (A) Peltier电子制冷示意图;(B) 半导体制冷片搭配散热单元,在通电过程中能够实现快速制冷的效果
热电材料的发电和制冷效率主要由材料的无量纲热电性能优值(ZT值)决定。由ZT值的定义式(ZT = (S2σ/κ) T)可知,在给定温度T下,高性能热电材料应具有大的温差电动势S(产生大的电压),高的电导率σ(减小焦耳热损耗)和低的热导率κ(产生大的温差)。然而,这些热电参数相互之间具有强烈的耦合关系,这使得热电材料的性能优化极其具有挑战性,调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和热电转换(发电和制冷)效率的关键。随着热电材料领域的研究越来越受到重视,不断涌现出了诸多提升ZT值的有效策略:优化载流子浓度范围以提高电导率(σ);调整电子能带结构、晶体结构、相结构等优化电传输性能(PF = S2σ);通过引入点缺陷、位错、晶界、纳米级沉淀物等进行多尺度分层架构设计以降低热导率(κ);引入磁性纳米粒子、功能基元序构设计以及高熵设计等解耦热传输和电传输;探索和开发具有本征低热导率特性的新材料体系;通过高通量及基于基因组计算等预测潜在的热电材料等。
赵立东教授课题组主要开发宽带隙高效热电材料,利用各向异性解耦热传输和电传输的矛盾,先后发现了SnSe的低晶格热导率源于强非谐振效应【Nature 508 (2014) 373-377】;利用SnSe多能带结构特点实现了多能带协同参与电传输【Science 351 (2016) 141-144】;利用施主掺杂促进离域电子杂化【Science 360 (2018) 778-783】;利用多能带的互动效应开发了高性价比的SnS热电材料【Science 365 (2019) 1418-1424】;逐渐形成了在宽带隙半导体中寻找高效热电材料的研究思路,克服了窄带半导体的双极扩散引起的热电性能窄温域问题【Science 367 (2020) 1196-1197】。近期研究发现,通过分别优化迁移率μ【JACS 141 (2019) 1141-1149】和有效质量m*【JACS 142 (2020) 5901-5909】可以不断提高材料的电传输性能( PF = S2σ)。本工作的研究主要集中在如何协同优化迁移率μ和有效质量m*,将高效电传输特性移到室温附近,进而实现电子制冷。
在具体研究中,通过变温同步辐射实验结合理论能带结构计算,发现了SnSe材料多个价带交互作用导致的动量空间和能量空间的价带对齐效应。如图2所示,动量空间的价带对齐对应于第一、第二价带的合并过程,这一过程有效提升了迁移率μ和电导率σ;能量空间的价带对齐对应于第三价带和前两个价带的简并过程,这一过程显著增强了有效质量m*和温差电动势S。通过固溶少量的铅(9% Pb),进一步促进了材料的价带在动量空间和能量空间的对齐效应,最终实现了P型SnSe晶体ZT值和热电性能的显著提升,如图2所示。
图2. 通过 (A) 动量空间和能量空间的多价带调控,实现了室温附近 (B) ZT值的大幅提升
基于获得的高性能P型SnSe晶体样品,本工作进行了热电器件的搭建,并同时表征了所得器件的温差发电和通电制冷性能。如图3A所示,在210度左右的温差下,基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现约4.4%的热电转换效率,这一数值与同一温差下商业化应用的碲化铋(Bi2Te3)基热电器件相当;如图3B所示,基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现ΔT约为45.7度的最大制冷温差,这一数值可以达到商用Bi2Te3器件的70%。但相比于Bi2Te3材料,SnSe的成本降低了~54%,重量减少了~21%。
图3. 基于P型SnSe晶体的热电器件的 (A) 温差发电效率和(B)最大制冷温差
本工作首次尝试了基于SnSe晶体材料的多对热电器件的装配与性能表征,结果表明其能够实现显著的温差发电效率和通电制冷性能。这一研究表明宽带隙SnSe晶体可作为电子制冷材料的巨大潜力。且SnSe材料具有成本低、储量丰富和重量小等优势,具有十分重要的应用价值。
共同参与此项工作的有:清华大学的李敬锋教授课题组,武汉理工大学课题组的唐新峰教授、谭刚健教授和柳伟研究员,南方科技大学的何佳清教授课题组。此项工作主要得到了国家重点研发计划(2018YFA0702100)、国家自然科学基金委基础科学中心项目(51788104)、国家杰出青年科学基金(51925101)、北京市杰出青年科学基金(JQ18004)、教育部111引智计划(B17002)、中国博士后创新人才支持计划(BX20200028)等项目的资助,并得到了上海同步辐射光源(SSRF)BL14B1线站和北京航空航天大学高性能计算中心的支持。