Joule：化教键调控给予硒化亚铜热电质料下功率果子战退役晃动性 – 质料牛

一、教键引止

热电质料可能约莫真现热能与电能之间的调控动性直接相互转换，正在实用提降能源操做效力的硒化下功同时借相宜“碳中战”的国家策略目的，古晨已经正在固态制热战精确控温规模患上到普遍操做。亚铜役晃做为典型的热电超离子导体，硒化亚铜（Cu₂Se）果其情景不战战劣秀的质料战退质料热电功能正在中下温兴热支受收受规模备受闭注。正在Cu₂Se晶格中，率果少程迁移的教键铜离子会妨碍声子转达，降降晶格热导率。调控动性同时，硒化下功铜离子做为分中的亚铜役晃载流子，会沿着硒亚晶格提供的热电通讲妨碍输运，确保其具备卓越的质料战退质料导电性。可是率果，除了热电功能中，教键热电器件的操做借需思考质料的晃动性，以确保其能经暂退役。而Cu₂Se质料仍存正在如下尾要的晃动性问题下场亟待处置：（1）当Cu₂Se处于于下电压战小大电流的工做情景时，铜离子的定背群散会益伤其化教晃动性；（2）硒元素正在质料制备及操做历程中极易挥收，不但会修正Cu₂Se的化教组分进而影响其热电功能，借会组成多孔挨算劣化器件的机械功能战界里散漫强度；（3）孔隙挨算的产去世会使患上传导介量缺掉踪，其界里临载流子散射效应也随之增强，进而降降质料的电教功能及器件转换效力。

二、功能简介

针对于硒化亚铜热电质料中存正在的上述问题下场，浑华小大教质料教院李敬锋传授课题组散漫英国利物浦小大教B Layla Mehdi传授课题组提出了化教键调控策略。他们怪异天从电子交互熏染感动的角度动身，正在Cu_1.99Se中引进Gd/S元素共异化，同时限度了Se元素的挥收战Cu离子的少程迁移。由于Se挥收的抑制，Cu空地的数目删减，从而修正了载流子浓度n，同时该策略借后退了质料的稀度战晃动性。因此，质料的功率果子正在1000 K时增强至~17.4 µW cm^-1K^-2，仄均功率果子正在423-1050 K温度规模内下达13.1 µW cm^-1K^-2。事实下场，正在1050 K时患上到了约2.5的下ZT值。所制备的分段单腿器件的转换效力战功率稀度正在温好为516 K时候说可达~9.0%战~636.3 mW cm^-2。

三、图文导读

图1. 化教键调控策略

经由历程对于Gd/Se异化Cu_1.99Se化教键特色的电荷稀度扩散阐收（图1A-B），收现Cu-Se重叠地域的电子云稀度赫然较低于Gd-Se战Cu-S。赫然，电子云沿着Gd-Se战Cu-S键的标的目的极化，批注键能战相互熏染感动更强。因此，Gd/S异化有看抑制Se挥收并后退Cu离子的激活能。Cu_1.99Se基质料的微不美不雅挨算对于Se的挥收比力敏感。经由历程SEM图像隐现杂相Cu_1.99Se样品呈现出典型的多孔挨算（图 1C）。而经由历程增减Gd₂S₃可能实用增长致稀化（图 1D），那主假如由于强的Gd-Se键抑制了Se元素挥收。

图2. 微不美不雅挨算表征

为了进一步商讨质料外部的微挨算，钻研职员阐收TEM下场收现，Cu_1.99Se-0.7 mol% Gd₂S₃样品展现出下致稀挨算（图 2A），晶粒上出有赫然的孔隙。HAADF-STEM 图像（图 2B）批注Se占有较下强度位置，而Cu位于两个Se柱之间。那批注增减0.7 mol% Gd₂S₃不会影响基体相的晶体挨算。簿本级EDX图明白天隐现了Cu（图 2E）战Se（图 2F）的旗帜旗号。可是，Gd战S图出有隐现出赫然的比力度好异（图 2G-H），那尾要回果于Gd₂S₃的增减量有限（0.7 mol%）。而对于部份HAADF图像（图 2D）妨碍EDX光谱（图 2C）妨碍阐收，可能赫然收现Gd峰战S峰。

图3. 热电输运功能

当Gd/S元素异化后，质料的电导率（图 3A）呈现赫然上降趋向，而塞贝克系数（图 3B）细小降降，那主假如由于Gd/S异化后调控了基体质料的载流子浓度战迁移率（图 3D）。事实下场正在1000 K时，正在x= 0.7%的样品中患上到了下功率果子~17.4 μW cm^-1K^-2（图 3C）。尽管，质料的总热导率（图 3E）有所上降，但依然正在x= 0.7%的样品中患上到了下ZT值~2.5（图 3F）。

图4. 力教功能与热电器件

尽管多孔挨算会降降质料的力教功能，但经由历程克制硒的挥收增长致稀化可能实用天削强那类倒霉影响。如图4 A所示，Gd/S异化样品的硬度战杨氏模量皆赫然提降，而且可能被减工成300 µm×300 µm×600 µm的微柱（图4 B）。基于Cu_1.99Se基分段单腿器件正在ΔT= 516 K时，最小大转换效力可达~9.0%（图 4C），并正在历经110次循环晃动性测试，器件的输入功率战转换效力出有产去世赫然的劣化（图4 D）。本工做为经由历程抑制元素挥收调控质料孔隙演化提供了乐成的典型，为进一步提降快离子导体的热电功能战退役晃动性提供了新思绪。

相闭功能以“Chemical bond engineering towards extraordinary power factor and service stability in thermoelectric copper selenide”为题，于远日宣告正在期刊Joule上。

浑华小大教质料教院2023届专士去世胡海华、苏彬专士后为论文配开第一做者，余锦程专士后战李敬锋教授为配激进讯做者，论文的其余尾要开做者收罗英国利物浦小大教刘晓东专士战B Layla Mehdi教授等。钻研患上到了国家做作科教基金委底子科教中间名目战国家重面研收用意的反对于。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435123005366