硅基和锗基笼合物热电材料的高压制备与性能优化

热电材料是一种能够将热能和电能进行直接转换的绿色能源转换材料，在能源、环境、国防等关键领域具有重要应用。具有"声子玻璃-电子晶体"(PGEC)特征的硅基和锗基笼合物（Clathrates）是中高温区最具潜力的新型热电材料体系之一。由于其结构的特殊性，可以从多种途径实现性能优化，在提高热电性能方面具有潜在的提升空间。本项目将采用具有独特优势的高温高压(HPHT)合成技术，围绕优化设计的硅基和锗基笼合物体系进行系统地研究。揭示高温高压下制备材料的晶体结构、电子结构、微观组织结构、成分优化、单(多元)填充、框架原子置换掺杂、填充原子与框架原子相互作用等对其电声输运特性的影响机制和规律，以及高温高压制备该材料体系过程中引入的新物理效应。通过高温高压合成技术实现对硅基和锗基笼合物结构和成分的优化、微观组织的优化，最终实现对硅基和锗基笼合物热电性能的突破。

热电材料是一种能够将热能和电能进行直接转换的绿色能源转换材料，在能源、环境、国防等关键领域具有重要应用。具有“声子玻璃-电子晶体”(PGEC)特征的硅基和锗基笼合物（Clathrates）是中高温区最具潜力的新型热电材料体系之一。本项目采用具有独特优势的高温高压(HPHT)合成技术，开展了硅基和锗基笼合物体系热电材料的高温高压制备，对所制备的材料进行了掺杂成分、晶体结构和微观组织的表征，并系统研究了合成压力、掺杂量、微观组织、晶体结构等对其热电特性的影响机制和调制规律。具体研究内容包括：①研究了Ba8Si46笼合物的高温高压制备与化学反应机制；②发展了高压合成热电材料的创新技术，开展了系列硅基和锗基笼合物的高温高压合成研究；③研究了合成压力、掺杂元素和掺杂量、晶体结构和微观组织结构对硅基和锗基笼合物材料热电输运性质的作用机制和调制规律④研究了Ba8Cu6SixGe40-x、Ba8AlxSi46-x、Ba8Ga16Ge30等笼合物热电材料的高温高压制备及热电输运性质的优化。获得的重要研究成果包括：①首次采用Ba(N3)2和Si作原料，通过高温高压化学方法成功制备了Ba8Si46笼合物；②创新性地采用高温高压合成技术成功制备了系列具有超导电性和优异高温热电特性的硅基和锗基笼合物；③发现了合成压力、掺杂成分和掺杂量、亚稳相结构和不同微观组织结构对硅基和锗基笼合物热电材料电声输运特性的作用机制和调制规律；④成功制备出ZT值大于1，并具有良好热稳定性和机械强度的锗基笼合物块体热电材料。相关研究成果已发表在Journal of Materials Chemistry A, RSC Advances, Journal of Solid State Chemistry, Journal of Alloys and Compounds等国际权威学术刊物上，其中已发表标注本项目资助编号的SCI论文28篇。相关研究成果还在每年的中国材料大会热电材料与应用分会，及2013年度的12th IUMRS International Conference on Advanced Materials国际会议上分别作了特邀报告、口头报告和墙报交流，国内外相关专家和学者对我们的研究成果和先进的制备技术给予了充分肯定。