SnSe系统单晶生长、本征热电性能及其热电性能优化研究

Thermoelectric materials can directly convert heat into electrical energy. SnSe crystals have attracted much attention because of its unprecedentedly high thermoelectric figure of merit (ZT). But there are few research studies on SnSe crystals due to extremely hard synthesis of SnSe crystals. It comes from the cracking of SnSe crystal because there is structure phase transition during crystal growth. In this proposal, we plan to crystal the large size SnSe crystals. With the available of these crystals, three problems will be explored: 1) Study the intrinsic thermoelectric properties of SnSn, especially the electric, thermal conductivity and Seebeck coefficient along three crystallographic directions. 2) Enlarge the temperature range of high ZT value in SnSe crystals by inducing chemical pressure through Pb/Te-doping. 3) Study the effect of multi-valley on electric conductivity and Seebeck coefficient in SnSe-crystals when the Fermi energy is adjusted through doping; decreasing the thermal conductivity of SnSe through forming eutactic SnSe-SnSe2 phase. Based on these work, the thermoelectric properties of SnSe-system will be summarized.

热电材料是能将热能直接转化成电能的环境友好功能材料。近期由于SnSe晶体保持最高的热电性能记录引起广泛的关注。但是由于晶体生长过程中经历相变易开裂使得晶体生长困难。导致基于单晶SnSe的热电研究异常稀少。本课题拟突破大尺寸SnSe单晶生长，在高质量单晶样品生长的基础上研究如下三个问题：1)研究SnSe单晶材料的本征各向异性热电性能。特别是沿着三个晶体学方向的电导、热导和塞贝克系数。2)通过引入Pb,Te掺杂实现可调控的化学压来调节SnSe的相变温度, 拓宽高热电优值的温度范围。3）通过掺杂调节费米能级研究SnSe系统中多谷态价带对电导和塞贝克系数；通过引入SnSe-SnSe2共晶组织降低SnSe系统的热导率。通过上述研究总结SnSe-基材料系统的热电性能。

热电材料是能将热能直接转化成电能的环境友好功能材料。SnSe晶体保持优良的热电性能引起广泛的关注。但是晶体生长过程中经历相变易开裂使得晶体生长困难。导致基于单晶SnSe的热电研究异常稀少。本课题生长大尺寸SnSe晶体，在高质量单晶样品生长的基础上进行了以下几个方面的研究：1)研究发现由SnSe和SnSe2的形成焓值接近，生长的SnSe晶体中容易出现SnSe2第二相。局域的热传输测试表明：纳米级SnSe2插层热导率可以进一步降低热导率。我们的研究阐明在生长的Sn0.98Se晶体中超低热导率的来源。2)通过引入Pb,Te掺杂实现可调控的化学压来调节SnSe的相变温度, 拓宽高热电优值的温度范围。3）在SnSe晶体中同时实现了电子型和空穴型的掺杂，优化了热电性能。电子和空穴在同一个材料中实现为SnSe将来的应用打下基础。此外，项目的支持下我们还研究了热电材料SnSe和BiCuSeO晶体的光热电性能，在光电探测、传感等领域有潜在的应用。还进行了一系列拓扑态晶体材料的研究，在外尔半金属WP2晶体中实现非线性光学高次谐波（波长可以达深紫外波段190nm），提供了一种紫外光源实现的方式。为拓扑材料的应用打开新的思路。