SnSe熱電材料
研究發現具有層狀結構的SnSe的二維界面對聲子具有強烈的散射作用 (圖1左),使得SnSe沿著層間方向具有很低的熱導率,在773K溫度下可達最小理論值 ~ 0.18 W/mK。尋找低熱導率材料和降低熱導率是熱電領域長期以來提高熱電優值ZT的有效途徑。在聚焦SnSe層間低熱導率的基礎上,如能在此方向上實現高的電傳輸性能,則可實現高的熱電性能。通過簡化由 Wiedemann-Franz和Pisarenko關系決定的載流子濃度對ZT值的束縛后,ZT值關系可簡化為: ,可見提高層間電傳輸性能需同時優化載流子遷移率 (m) 和有效質量 (m)。 由于SnSe材料在800K溫度點存在一個從Pnma到Cmcm的相變,經過同步輻射和變溫TEM實驗測試發現該相變從600K便開始持續發生。利用該持續相變特性,通過調整電子摻雜濃度可將輕導帶和重導帶之間經歷一個簡并收斂 (增加有效質量和減小遷移率) 和退簡并收斂 (減小有效質量和增加遷移率) 的過程。利用這一過程,恰好優化了遷移率和有效質量的乘積 (mm) (圖1中),使得SnSe在整個溫度范圍內都保持較高的電傳輸性能。通過對比電子和空穴摻雜的n型和p型SnSe材料發現,通過電子摻雜后Sn和Se的p軌道在導帶底會產生電子離域交疊雜化(而在價帶頂則不存在這一現象),使得n型SnSe的電荷密度增大到足以填滿層間空隙,實現了層間電子的隧穿? 本征的SnSe的層狀結構就像一堵墻,可以同時阻礙聲子和載流子 (電子和空穴) 的傳輸。但通過重電子摻雜后,導帶底的電子離域雜化現象增大了電荷密度,在墻內和墻之間只為電子量身定制了一條傳輸的隧道,如圖2所示。在大電荷密度的基礎上,加之連續相變引起的能帶結構變化和晶體對稱性的提高三個主要因素使得SnSe在層間方向表現出優異的電傳輸性能,當溫度高于700K時,在SnSe的層間方向產生了比層內更優異的“三維電荷”傳輸效應。這種 “二維聲子/三維電荷” 傳輸特點大幅提高了n型SnSe的熱電性能。
南方科技大學
2021-04-13