热电磁耦合异质体界面原子尺度精细结构与热电性能研究

Recently, complex electron and phonon scattering behavior from thermoelectric-magnetic coupling at heterostructural interfaces between thermoelectric material matrix and embedded magnetic nanoparticles has become a promising approach to improve transport properties and thermoelectric behavior. However, until now, the physics behind thermoelectric-magnetic coupling has not been fully understood, and the influence of external fields on thermoelectric properties are not clear. To solve this problem, in this project, I plan to use advanced electron microscopy methods to comprehensively characterize atomic and electrons structures at heterostructural interfaces between Bi2Te3-based thermoelectric materials and magnetic nanoparticles (Fe, Co and Ni) along different crystallographic planes, to understand how external thermal, magnetic and electric fields influence evolution of atomic structures at interfaces, and to explain observed interface atomic structures and their impact on thermoelectric properties using density functional theory. Based on these findings, I will demonstrate how interfaces influence thermoelectric behavior at atomic level, paving ways for the designing and development of new thermoelectric materials with higher ZT that fully takes advantage of thermoelectric-magnetic coupling at interface.

在热电材料基体中嵌入磁性纳米粒子形成热电磁耦合异质体，利用磁性纳米粒子产生的热电磁新效应大幅度提高电热输运性能，是近年来热电材料领域的重要发现。但目前磁性纳米粒子对电子的磁性散射机制还缺乏清晰的物理图像；磁性纳米粒子在外场（温度场、电场和磁场）作用下对热电性能的影响机制还不清楚。针对这一现状，本项目选择磁性金属纳米粒子（Fe、Co、Ni）与Bi2Te3基单晶体形成的热电磁耦合异质体为研究对象，拟采用先进电子显微学多种原子尺度结构表征手段，研究磁性金属纳米粒子与Bi2Te3基单晶体不同晶面耦合的异质界面原子尺度精细结构，原位表征异质界面在外场作用下原子尺度精细结构的演变特征，并借助计算材料学研究成果解释原位结构表征成果。在此基础上，阐明热电磁耦合异质体界面原子尺度精细结构对电热输运性能的影响规律，为设计和制备具有热电磁耦合新效应的高性能新型复合热电材料提供理论依据。

热电磁材料是中国学者创制的同时具有优异热电性能和磁性能的多功能复合材料，在热电制冷、双向控温、薄膜面内散热等领域具有重要应用前景。热电磁异质界面结构是决定热电磁材料性能的结构基础。本项目以磁性金属纳米粒子与碲化铋基热电材料形成的热电磁耦合异质界面为研究对象，采用先进电子显微学原子尺度结构表征方法，研究不同晶面耦合的异质界面原子尺度精细结构和外场作用下的演变特征，阐明热电磁耦合异质体界面原子尺度精细结构对电热输运性能的影响规律，获得了如下研究成果。.通过机械剥离获得光滑干净的碲化铋（0001）表面，随后进行磁性金属蒸发镀膜形成取向可控的热电磁异质界面。使用该方法制备了多种磁性金属与多种碲化铋基热电材料形成的热电磁异质界面。.在Ni/Bi0.5Sb1.5Te3 (BST)（0001）热电磁耦合异质界面上，使用原位电镜直接观察到高温下Ni原子穿过碲化铋五原子层结构的穿晶扩散现象；观察到Cr原子与BST基底中的Te原子选择性发生界面反应形成CrTe的微观机制，为设计新型热电磁界面和热电磁材料提供了重要的结构依据。.在基于Bi2Te3结构拓展的vdW层状GeBi2Te4（GBT）材料中，利用原位加热扫描透射电子显微镜（STEM）直接在原子尺度观察到Ge/Bi离子沿vdW间隙扩散的动力学过程，为研究vdW层状材料中的阳离子扩散和表面重构提供了原子尺度的结构支撑。