掺杂局域共振态效应结合原位相分离纳米结构提高Mg2Si1-xSnx基材料热电性能研究

以n型Mg2Si1-xSnx材料体系为研究对象，采用第一性原理计算与实验相结合研究掺杂元素的掺杂能级与材料导带的相互作用规律，获得掺杂元素与化合物态密度、局域共振态以及电输运性质之间相互关系的规律性认识；根据Mg2Si-Mg2Sn体系赝二元相图特点，研究在富Si基体上原位相分离生成富Sn纳米第二相的机制和条件，揭示纳米结构对材料声子平均自由程、声子态密度、声速等热输运特性以及载流子平均自由程、迁移率、有效质量、电导率和Seebeck系数等电输运特性的影响规律。通过掺杂引入的局域共振态效应和原位生成纳米第二相的共同作用，实现材料Seebeck系数、电导率、热导率三个参数解耦或部分解耦并独立调控，制备出高性能n型Mg2Si1-xSnx热电材料。这一研究将为Mg2Si1-xSnx材料体系以及其它材料体系热电性能的优化提供新的思路和途径，同时，也将为Mg2Si1-xSnx体系的应用奠定重要基础。

半导体热电材料是一种环境友好的新能源转换材料，在太阳热以及工业废热、汽车尾气废热等热电发电回收利用和热电致冷等领域具有广阔的应用前景。Mg2Si1-xSnx基热电材料是一类储量丰富、价格低廉、环境友好，以及具有潜在高热电性能的中温热电材料，是国际上高度重视和发展的热电材料体系，但其热电性能较低、稳定性不高限制了其应用。.本项目采用第一性原理计算与实验相结合研究掺杂元素对n型Mg2Si1-xSnx固溶体能带结构及电热输运特性的影响规律；根据Mg2Si1-xSnx体系赝二元相图特点，研究原位相分离生成纳米第二相的机制和条件及其对电热输运特性的影响规律；利用能带结构工程和微结构调控工程，优化电热输运特性，制备出高性能n型Mg2Si1-xSnx热电材料，同时研究其高温稳定性，为其应用奠定基础。.采用第一性原理平面波超软赝势方法计算了n型Mg2Si1-xSnx固溶体（0x1）的电子结构，发现了n型Mg2Si1-xSnx固溶体的双导带结构随x增加发生收敛和简并的现象，并从实验上验证了导带结构收敛的理论计算结果，阐明了能带结构的收敛和简并对材料Seebeck系数和功率因子的影响规律。发现n型Mg2Si1-xSnx热电材料中能带收敛和简并显著提高了材料Seebeck系数和功率因子，x=0.7的n型Mg2Si0.3Sn0.7材料在700 K获得最高ZT值达1.30。同时，进一步发现n型Mg2Si1-x-yGexSny连续固溶体随Ge含量变化在高温区（500-800 K）的能带结构收敛效应，且发现轻重导带能隙随Ge含量符合线性模型，由于n型Mg2Si1-x-yGexSny连续固溶体的高温能带结构收敛效应及Ge固溶的散射作用，其功率因子大幅度提高、晶格热导率大幅度降低，最高ZT值可达1.45左右。.根据Mg2Si-Mg2Sn赝二元相图特征，系统研究了具有高热电性能的n型Mg2Si0.3Sn0.7固溶体的相组成及微结构与温度的关系，发现可以通过在包晶反应温度附近进行适当的热处理调控原位纳米第二相的成分及分布状态，后者纳米颗粒的主要成分为富Mg2Sn相。获得分散均匀的Mg2Si相和富Mg2Sn相纳米颗粒对于声子的散射作用比较明显，最终使得材料在整个温度段的ZTaverage （300-800 K）提高~15%，达到1.0，而ZTmax仍可达到~1.3 (750 K)。同时，长期退火的实验