(Bi,Sb)2(Te,Se)3体系中共振能级对热电功率因子的优化的研究

(Bi,Sb)2(Te,Se)3 system is the most important material for thermoelectric applications near room temperature, so it is very significant to improve its thermoelectric figure of merit ZT. Currently the decrease of lattice thermal conductivity is approaching the theoretical limit. Further improving of ZT has to rely on the enhancement of power factor. In this proposal, based on the first-principle calculation and experiment validation, we will investigate the position of impurity levels caused by doping, and explore the formation mechanism of resonant levels; study the influence of the resonant level width on Seebeck coefficient; manipulating the band structure by tuning the composition of this solid solution, study its corresponding impact on the relative position of the resonant level; investigate the influence of resonant level on the carrier transport properties, especially on Seebeck coefficient and carrier mobility, to avoid the negative effect on carrier mobility caused by doping. After that, we employ ball milling followed by spark plasma sintering method to obtain nano-bulk materials, leading to the reduction of thermal conductivity and further increase in ZT value. The successful implementation of this project will promote the application of thermoelectric devices, and provide new ideas for the performance optimization of other thermoelectric materials.

(Bi,Sb)2(Te,Se)3体系是室温热电应用最主要的材料，提高其热电优值ZT具有重要意义。目前该体系的晶格热导率已降低至接近理论极限，提高其功率因子是进一步提升ZT的唯一途径。本项目中我们将通过第一性原理计算及实验验证，研究掺杂元素在该体系中杂质能级的位置，探索共振能级产生的机制及规律；研究共振能级宽度对Seebeck系数的影响规律；利用体系可完全固溶的特性来微调能带结构，研究这种微调对共振能级在能带中相对位置的影响；研究共振能级对体系载流子输运机制的影响，特别是对Seebeck系数以及载流子迁移率的影响规律，以规避掺杂对载流子迁移率的负面影响。在共振能级对功率因子优化的基础上，结合球磨和放电等离子体烧结技术，制备纳米块材，显著提升材料ZT值。项目的顺利实施将推动热电器件的应用，并为其他热电材料的性能优化提供新的思路。

对热电材料进行电子工程可以有效提高材料的功率因子。(Bi,Sb)2(Te,Se)3体系是室温热电应用最主要的材料，提高其热电优值ZT具有重要意义。目前该体系的晶格热导率已降低至接近理论极限，提高其功率因子是进一步提升ZT的唯一途径。本项目中我们将通过第一性原理计算及实验验证，1) 研究了Sn、Cu、La、Ce、Gd等不同掺杂元素在该体系中杂质能级的位置，探索共振能级产生的机制及规律，发现Sn和Cu是比较理想的掺杂元素；2) 研究了掺杂浓度对Seebeck系数的影响规律；3) 研究了共振能级对体系载流子输运机制的影响，特别是对Seebeck系数以及载流子迁移率的影响规律；4) 在此基础上，结合球磨和放电等离子体烧结技术，制备了纳米块材，显著提升了材料ZT值。另外，我们将本项目所开发的研究方法，包括第一性原理计算、球磨、旋甩等，应用到了其他热电体系，如Cu2CdSnSe4，方钴矿，Mg2Si，CoSbS，Cr2Ge2Te6，AgIn5Se8中，也取得了不错的结果：1）在Cr2Ge2Te6中发现Cr位上的Mn或Fe掺杂可以在费米面附近导致一个鼓包，起到类似共振能级的作用，同时还可以实现材料载流子浓度的提升，最终功率因子提升130%以上，ZT则在833K达到0.63；2）在AgIn5Se8中发现Cd部分取代Ag后系统中出现了双杂质能级行为，另外还提高了电子浓度，从而带来功率因子的提升。而掺杂带来的点缺陷则进一步降低晶格热导，最终883K时的ZT值达到0.63。3）在CoSbS中发现S位上的Se固溶可以起到降低带宽以及形成点缺陷的作用，从而同时提高功率因子并降低晶格热导率，最终使ZT提高59%。在本项目的支持下共发表SCI文章9篇，其中一区文章有4篇。