杨君友教授课题组在热电材料研究方面取得系列进展

热电材料是一种能实现热能和电能相互转换的新型能源材料，热电转换技术不仅可用于温差发电回收工业余热，而且可用于半导体制冷，具有无振动、无噪声、零排放、安全可靠和易于维护等独特优点，受到世界各国研究者的高度关注。当前热电材料研究面临的主要问题是其转换效率偏低，提高其热电优值ZT是提高其转换效率进而实现大规模应用的关键。材料学院杨君友教授课题组多年来一直致力于热电材料的研究，近年来课题组将外磁场、纳米结构等引入到热电材料研究中，在调控热电材料的电热输运、优化热电性能方面取得系列重要进展，研究结果相继在《先进能源材料》(Advanced Energy Materials，影响因子16.146)、《纳米能源》（Nano Energy，影响因子10.325）、《材料化学A》（Journal of Materials Chemistry A，影响因子7.443) 等国际著名学术期刊上发表。

热电材料的电子和声子的传输行为与其微结构密切相关，课题组通过固相反应在热电材料中引入原位纳米结构，有效调控了材料的电热输运，提高了综合热电性能： 1) 利用卤化铜高温分解在In₄Se_2.5化合物中同时引入阴阳离子掺杂，形成大量的施主缺陷，有效改善了材料的电学性能；此外富余Cu组元脱溶以纳米颗粒的形式析出，对中长波声子产生强烈散射，有效降低材料的声子热导率，最终ZT值大幅度提高，在723K时高达1.4。相关研究工作相继发表在著名期刊Advanced Energy Materials (2014, 2,1300599)和Journal of Materials Chemistry A(2015, 3, 1251-1257)上。2) 在P型碲化铋系材料中添加Zn₄Sb₃化合物，烧结过程中Zn₄Sb₃分解在Bi_0.4Sb_1.6Te₃合金中同时引入Zn和ZnSb两种纳米粒子，不仅增强了声子散射，降低了材料的热导率；同时部分Zn原子掺杂增加了空穴浓度，材料的功率因子获得大幅度提高；而且有效抑制了该材料的双极扩散，促使本征激发温度大幅度提高。使该材料的最佳使温温度提高近150K，423K时ZT值高达1.44，相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A(2014, 2, 20288-20294)。 3) 利用Ni原子在不同尺度Yb填充方钴矿CoSb₃中热扩散能力的差异，在材料中形成了一种未掺杂微米方钴矿和Ni掺杂的纳米方钴矿新型核-壳微结构，有效降低了材料的热导率；同时Ni掺杂提升了材料费米能级附近的态密度及载流子浓度，有效提升了材料的功率因子，从而获得了高的热电性能ZT=1.07@723K。相关成果发表在Journal of Materials Chemistry A(2015, 3, 1010-1016) 上。4) CuInTe₂化合物的高热导率一直是提升其热电优值的难题，课题组利用CuInTe₂与低密度的TiO₂ 在高温（~616K）下发生置换反应成功在CuInTe₂热电材料中引入大量弥散分布的In₂O₃纳米颗粒，形成大量的声子散射中心，使该材料的热导率接近理论的非晶极限值，从而大幅度提高了材料的ZT值(1.47@823K)。相关成果已被能源材料领域的著名期刊Nano Energy录用（NANOEN-D-15-01202, in press），即将发表。

在磁性材料和一些传统金属材料的制备和研究过程中往往引入磁场，而对于半导体热电材料来说，磁场对其结构及性能的影响则鲜有报道。杨君友教授课题组在碲化铋(Bi_0.5Sb_1.5Te₃)热电材料的熔炼凝固过程中施加垂直磁场，通过磁场的作用优化了材料的生长取向，改善了多晶Bi_0.5Sb_1.5Te₃合金的电输运性能；此外，材料的微观结构亦发生明显变化，形成了大量的纳米级共晶碲化铋第二相，增强了界面和第二相对声子的散射散射，导致Bi_0.5Sb_1.5Te₃合金的热导率急剧降低，从而大幅度提高了多晶Bi_0.5Sb_1.5Te₃材料的热电性能，在323K时其热电优值ZT可达1.71。相关成果受到审稿人的高度好评，发表在能源材料领域的权威期刊Nano Energy（2015, 15, 709-718）上。