新研究優化硫族熱電材料性能

科技日報訊 （記者趙漢斌）當下，能源問題日益嚴峻，探尋高效、環保的能源轉換技術，成為迫切現實需求。作為能直接實現熱能和電能相互轉換的神奇材料，熱電材料一直備受關注。記者4月7日從昆明理工大學瞭解到，該校材料科學與工程學院教授葛振華團隊通過持續攻關，在硫族熱電材料領域取得一系列研究進展，國際期刊《先進科學》《晶體生長與設計》《無機化學》《Small》等相繼發表了相關研究論文。

受銅精礦冶煉過程的啓發，研究團隊改進了固態反應並應用於熱電材料領域，通過在硫化銅中引入磁性氧化物顆粒，團隊成功製備出多孔硫化銅磁性納米複合材料。在這個過程中，複合成分調節產生了大量析出相和富銅相，同時材料的微結構形成多孔結構，使其熱導率有效降低。而且，引入的四氧化三鐵粒子不僅降低了載流子濃度，還形成了散射低能載流子的勢壘，提高了樣品的塞貝克係數。塞貝克係數是衡量材料在温度梯度下產生熱電勢能力的參數，可反映利用温度差產生電壓的能力。係數越大，材料在熱電轉換方面就越有潛力。

研究顯示，温度在773K時，含有2%四氧化三鐵的硫化銅樣品熱電優值（ZT）約為1.3。ZT值越高，熱電轉換效率就越高。一般來説，當ZT值大於1時，熱電材料被認為具有實用價值。

用碘摻雜調控硒化銅熱電性能，也是研究的重要一環。聲子液體—電子晶體特性是實現硒化銅基材料優異電、熱輸運性能的關鍵，但以往高温立方硒化銅在室温下很難獲得，限制了其在寬温度範圍內的熱電性能。“我們提出在水熱反應過程中用氫碘酸作為摻雜劑的策略，碘摻雜能有效控制硒化銅的相變，讓它在室温下也能存在立方相。”葛振華解釋，由於相結構和載流子濃度的變化，碘離子摻雜的硒化銅功率因子顯著增加，從而有效提升熱能轉化為電能的能力。“這一研究為調控硒化銅的相結構和熱電性能開闢了新途徑。”昆明理工大學材料科學與工程學院教授馮晶説。

此外，研究團隊在製備超高熱電優值的硫化鉍熱電材料，以及應用準同質摻雜提升銅銻硫基熱電材料性能方面，也取得了新成果。

“硫化鉍是熱電材料研究的熱點之一，但它長期面臨着在電導率較低的情況下提升熱電性能的挑戰。”論文第一作者、昆明理工大學碩士研究生楊澤源介紹，團隊採用自下而上的策略，通過水熱合成法和放電等離子燒結工藝，製備出具有超低熱導率的硫化鉍熱電材料，並取得了硫化鉍體系首個超過1的熱電優值。在温度為673K時，該材料的熱電優值首次超過1，這一成果展示了硫化鉍在商業化應用中的巨大潛力。

面對傳統的單質摻雜在提升熱電材料性能方面存在的固溶度有限問題，研究團隊創新提出了準同質摻雜策略，在銅銻硒中添加晶體結構和組成元素高度相似的銅鍺硒，顯著提高了鍺在銅銻硒中的固溶度。這種方法不僅提供了大量載流子，提高了材料的電學性能，還使材料的晶格熱導率顯著降低。在723K時，添加1.0%銅鍺硒的銅銻硒樣品ZT值達到1.0，在323K—723K温度範圍內平均ZT值為0.56，且材料的機械性能也顯著增強。

這些研究成果為硫族熱電材料的性能優化提供了多種創新方法，對推動熱電材料在可持續能源、汽車工業等領域的應用具有重要意義。