具有纳米点与纳米晶粒的非均匀结构中温热电材料SnTe的研究

In this project, the heterogeneous SnTe nanocomposite-mixture of the nanodot nanocomposite and the nanograined nanocomposite will be studied, which will be benefited to explore the high performance of mid-temperature thermoelectric materials. The two valence band structures will be optimized by doping, and the mechanism between changes of band structure and electrical behaviors should be analyzed. Furthermore, Closing to the solubility of dopant, the in-situ nanodots will be form by little more doped, the nanograins will be added by optimizing quenching ratio, high energy ball milling, putting nano powders, and so on, and then the heterogeneous SnTe nancomposites- mixture of the nanodot nanocomposite and the nanograined nanocomposite have been synthesized after hot pressing or SPS. The effect on electrical properties, thermal conductivities and thermoelectric performance of densities, sizes and distributions of nanodots and nanograins will be investigated. The phonon transport mechanism for reducing thermal conductivity by scattering of nanodots, scattering of nanograins and couple scattering of nanodots and nanogrians will be researched. In the end, the high power factor and low thermal conductivity are achieved by optimized the heterogenerous nanostructure. As the result, the high-performance of mid-temperature SnTe thermoelectric materials will be obtained, which will be a promising mid-temperature thermoelectric material for recycling waste heat resources, such as waste heat from industries and vehicles.

本项目以具有纳米点与纳米晶粒的非均匀纳米结构SnTe合金作为研究对象，探索高性能中温热电材料。通过优化掺杂元素调控双价带结构，分析能带结构变化与优异电学行为的机制；该项目拟固溶度附近略过量掺杂原位生成纳米点，同时利用调控淬火速率、高能球磨、添加纳米颗粒等手段引入纳米晶粒，然后利用热压或SPS合成具有纳米点和纳米晶粒共存的非均匀纳米结构SnTe热电材料。研究纳米点与纳米晶粒的浓度、尺寸、分布等对电学参数、热导率及热电性能的影响，探索纳米点散射、纳米晶粒散射及耦合作用降低热导率的声子传输机制；通过优化非均匀纳米微观结构，实现材料同时具有高功率因子与低热导率。通过本项目研究，期望得到高功率因子、低热导率的高性能SnTe中温热电材料，为工业余热、汽车尾热等低品质热源的高效率回收利用提供性能优异的中温热电材料。

项目背景.随着社会的进步，人们对新能源、清洁能源等技术的追求不断提高。热电能源转换是一类新型热能与电能相互转换的技术，其在低品质热能回收，可持续发展等方面具有重要的意义。因此，热电领域受到了国内外研究者的广泛关注，热电材料的性能也得到了显著提高。值得一提的是，铅碲基热电材料的优值系数已经达到了早期热电领域的阈值2.0。但是随着无铅化应用的要求，同构的锡碲合金作为有希望的热电材料备受关注与研究。本项目即在此背景下，提出了微观结构设计、优化等方式调控其热电性能的研究工作。..主要研究内容. 利用掺杂方式调控锡碲合金样品的载流子浓度、能带结构以及化学键等，进而实现对双价带结构的优化，达到高的Seebeck系数与功率因子；在此基础上，调控工艺条件，对样品的微观结构等进行设计与优化，进而降低样品的热导率。优化的电学特性与热学特性使锡碲合金样品获得大的热电优值系数。研究中较好的热电性能调控方法也推广到其他材料体系中尝试和应用。..重要结果与关键数据.利用In和Mn双掺杂调控SnTe合金的能带结构及化学键，实现谐振能级与能带简并的协同优化，获得了大功率因子。同时，通过双掺杂导致微结构的变化和化学键的软化等，获得了低的声子热导率0.75W/mK。在电-热传输协同优化的基础上，SnTe样品获得最佳热电优值系数超过了1.0。相关研究工作已经发表在Journal of Materials Chemistry A 5 (2017) 14165。.通过元素In 在SnTe 中引入谐振能级，优化样品的Seebeck系数，从而在1% In掺杂时获得最大热电优值系数。在此基础组分，掺入Se元素，以期降低样品的热导率。当Se的含量为20%时，获得最低热导率2.0W/mK。通过组分优化，最终1% In和10% Se的样品热电优值系数的峰值达到0.9，平均值可达0.5左右。相关结果发表在Inorganic Chemistry Frontiers 5 (2018) 793。..科学意义. 锡碲合金性能的优化为无铅热电材料的研究提供了一种备选材料体系。能带结构调控、化学键软化以及微观结构设计等协同优化热电性能的方式，为锡碲合金性能的优化提供了一种思路。