利用调制掺杂改进BiAgSeS材料热电性能及相关机理探讨

Due to its outstanding efficacy in carrier mobility improvement, modulation doping has been widely utilized in 2-D semiconducting films and devices. In this proposal, we plan to introduce this unique technique into 3-D bulk thermoelectric material-BiAgSeS, so as to achieve an independent tuning of electrical conductivity and eventually an enhanced overall thermoelectric performance. To do so, a meticulously designed microstructure which is specialized for modulation doping shall be constructed, in order to establish an unhindered charge carrier transport channel for high mobility. Besides, corresponding simulations, together with the convincing experimental characterizations of the inhomogeneous distribution of charge carriers in this bulk composite, will be performed to provide theoretical support to unravel the underlying physical mechanism of enhanced thermoelectric performance via modulation doping.

调制掺杂作为一种能大幅提升材料中载流子迁移率的技术，被广泛应用于二维薄膜及其器件中。本项目拟将这种技术引入到BiAgSeS三维块体热电材料中，通过调整调制掺杂的复合结构，建立有利于载流子输运的高迁移率通道，相对独立地改善改材料的电导率，从而获得对整体热电性能的大幅提升。此外，本项目还将对该复合结构中存在的载流子不均匀分布进行定量表征，建立相关计算模型，为利用调制掺杂技术改进材料的电输运性能作出理论上的依据。

热电材料可以清洁简便地实现热能和电能的相互转换，但其应用一直受到热电转换效率较低的制约。本项目以一种无铅的BiAgSeS热电材料作为研究对象，在前期的研究基础上，进一步通过微结构优化，利用在二维薄膜中广泛应用的调制掺杂技术对块体材料进行载流子迁移率的优化和提升，从而提升材料整体的热电性能。.在项目执行过程中，我们有几个主要发现：.1.快速淬火形成的室温BiAgSeS立方相是一种亚稳态，该相在进行升温至773K的电或热性能测试后，降温至室温得到的是BiAgSe2和BiAgS2的一种室温混合相。.2.BiAgSeS经过一个热循环后形成的BiAgSe2和BiAgS2两相共存体在透射电镜下呈现出一种板条状的组合态，类似于共析结构。.3.Se-S的高度无序化应该是仅稳定存在于温度较高区域（接近液相）的状态，随着温度的降低，Se-S的固溶相互作用参数大于零，Se、S均倾向于形成各自有序的AgBiSe2和AgBiS2状态。.4.我们在掺杂的过程中发现，掺杂元素在AgBiSe2和AgBiS2中的溶解度不一致，因此也可以实现类似的调制掺杂的效应，即：轻掺杂的AgBiSe2晶粒和重掺杂的AgBiS2晶粒的复合物。.5.此外，我们在AgBiSe2和AgBiS2的成分比为4:1的复合物中进行In的调制掺杂，同时取得了极低的晶格热导率（相较纯相在773K降低了33%）和较高的热电功率因子，从而在773K获得了较高水平的热电优值峰值~0.9和该体系目前最高的平均热电优值0.47。. 我们在研究过程中发现的高度无序的BiAgSeS立方相作为一种亚稳相，不具有稳定的热电输运性能，而是由其更为稳定的有序度较高的AgBiSe2和AgBiS2的复合热电材料表现的性能为实际性能。此外，有无序BiAgSeS立方相转化成的有序度较高的AgBiSe2和AgBiS2的复合相，其微观结构表现为一种类共析的板条状结构，该结构对材料中的点声输运的调控也有深刻的影响。我们的研究可以为类似的高度无序的亚稳态结构的性能研究提供很好的借鉴意义，并为三维材料调制掺杂的方式提供一种新的思路。