贫镁Mg2Si基热电材料的晶体结构与电声输运

The non-toxic, naturally abundant constituent elements and the favorable electronic properties make Mg2Si based thermoelectric materials excellent candidates for large scale applications. To improve their thermoelectric properties the thermal conductivity must be reduced. It was found in our recent work that alloying Sb in the Si-site could make the Mg2Si based materials magnesium deficient and result in a very low phonon thermal conductivity near the theoretical limit. Focusing on the crystal structures and electron/phonon transports, the present proposal suggests to investigate the magnesium deficient Mg2Si based thermoelectric materials with various microstructure analysis and transport measurement, to clarify the crystal structures, lattice defects and their formation, development in the magnesium deficient Mg2Si based thermoelectric materials, to reveal the effects of the magnesium deficient microstructures on the band structure, carrier- and phonon-transports, and to explore the potential direction and feasible route for high performance advanced Mg2Si based thermoelectric materials.

降低热导率是实现绿色环保型Mg2Si基热电材料性能突破的关键。本项目组在前期研究中发现，Mg2Si基材料的Si侧高含量Sb置换可导致材料宏观贫镁，并使材料具有接近于理论下限的低声子热导率。围绕这种贫镁Mg2Si基材料的特殊晶体结构及其对电声输运影响，本项目拟通过多种手段互洽的微结构表征分析和系统的电声输运机制研究，阐明宏观贫镁的微观晶体结构特征、晶体缺陷表现形式和形成演变规律，揭示由于Mg缺失所形成的晶体结构和晶体缺陷对材料能带结构、载流子和声子输运特性的影响规律，并在此基础上探索实现Mg2Si基热电材料性能突破的新方向和可行途径。

本项目计划围绕贫镁Mg2Si基热电材料中的晶体结构特征及其对电声输运的影响机制，开展了Mg2Si基热电材料中宏观贫镁微观机制、晶体缺陷形成演变机制、晶体结构对电声输运作用机制以及贫镁Mg2Si基热电材料的性能优化等方面的研究。本项目提出了贫镁Mg2Si中镁空位和纳米尺度带状贫镁缺陷的微结构形成机制，其中镁空位源于Sb元素取代所产生的电荷差异；纳米尺度带状贫镁缺陷源于镁空位在后续的热压烧结过程中的聚集、崩塌所形成的高密度位错及其运动。本项目从理论和实验上证实了贫镁Mg2Si基热电材料具有低晶格热导率的微观机制是镁空位和纳米尺度贫镁缺陷对声子输运的共同作用。本项目研究发现，镁空位对能带没有显著影响，而间隙镁可转移电子到晶格位的Si原子并与Mg原子共享电子，从而影响电荷密度的分布，在导带底形成类缺陷能级。本项目对α-MgAgSb的研究发现，Nowotny-Juza化合物具有本征低热导率的物理起因是整体弱键和三中心键的局域振动引起的共振散射。截止2016年12月30日，本项目发表的标注论文已被SCI论文他引367次，最高单篇论文他引70次。本项目已全面完成项目研究目标。