Skutterudite/AgSbTe2系纳米复合热电材料研究

Thermoelectric nanocomposite has drawn much attention recently, due to its significantly different transport mechanism from homogeneous bulk materials and enhanced thermoelectric performance. CoSb3-based skutterudite is known having ideal electric properties,however,though its lattice thermal conductivity can be decreased remarkably via rare-earth atom's filling into structural voids, the lattice thermal conductivity is still high relative to state-of-the art PbTe-based materials. In this project it is proposed to add AgSbTe2 material, which has in-situ formed nanostructure and extremely low lattice thermal conductivity, as a second constituent to Yb0.2Co4Sb12 matrix to form Yb0.2Co4Sb12/AgSbTe2 nanocomposite. Firstly synthesis process will be optimized, then effect of Ag2Te/Sb2Te3 ratio as well as AgSbTe2 content on the microstructure and thermoelectric properties of the nanocomposite will be investigated to achieve maximum thermoelectric figure of merit.In the meantime, through systematic research on the correlation between microstructure and thermoelectric properties, key factors tuning the thermal transport in nanocomposite will be elucidated and effect of nanostructuring on carrier's scattering mechanism will be analyzed to exploit the thermoelectric transport mechanism in nanocomposite. Therefore this research program is very important from theoretical and practical viewpoint for the development of nanocomposite thermoelectrics.

纳米复合热电材料因在材料中引入纳米结构，改变了材料的电热输运性能，有望取得热电性能的突破而引人注目。CoSb3基Skutterudite材料具有相当优异的电性能，尽管采用稀土元素等填充晶格空隙有效地降低了晶格热导率，但相比于PbTe等仍有较大的下降空间。本项目提出在CoSb3基基体材料中引入具有原位自生纳米微结构和极低晶格热导率的AgSbTe2系第二相，研究Yb0.2Co4Sb12/AgSbTe2系纳米复合热电材料。在优化制备工艺基础上，研究AgSbTe2体系中Ag2Te/Sb2Te3比和AgSbTe2系含量对复合材料显微组织结构和热电性能的影响，获得热电性能的突破。通过对显微组织结构与热电性能间关系的深入研究，研究复合材料晶格热导率的关键调控机制、纳米异质结构对载流子散射机制的影响，探究纳米复合材料热电传输机制。开展本项目研究对阐明纳米复合材料热电传输机制等具有重要的理论意义和应用价值。

纳米复合热电材料因在材料中引入纳米结构，改变了材料的电热输运性能，有望取得热电性能的突破而引人注目。本项目在CoSb3基基体材料中引入具有原位自生纳米微结构和极低晶格热导率的AgSbTe2系异质相，研究了填充方钴矿-AgSbTe2系纳米复合热电材料。通过对复合材料制备工艺、AgSbTe2含量及Ag2Te/Sb2Te3比对复合材料热电性能影响的研究，实现了载流子、声子传输的协同效应，获得了具备优良热电性能和良好机械性能的中温区温差发电用复合材料。Yb0.2Co4Sb12 - 4wt%AgSbTe2材料在573 K达到约1.27的最大ZT值；Yb0.25Co4Sb12 - 4wt% (Ag2Te)0.42(Sb2Te3)0.58材料在773 K时取得1.3的最大ZT值。通过对复合材料显微组织结构与热电性能间的关联研究，分析了纳米异质相对复合材料热电传输机制的影响机理。提出通过对基体与异质相成分、结构等的优化，纳米复合材料能有效实现三个热电参量的解耦，因此有可能成为提高材料热电性能的新机制。在本复合材料体系中，载流子迁移率因异质相的晶界效应得到提高，同时异质相带来的能量过滤效应使得复合材料Seebeck系数绝对值增大，此外，复合材料晶格热导率因点缺陷、界面散射增强等显著降低，实现了三个热电参量的解耦和同步优化。结合对复合材料载流子平均自由程和声子平均自由程的分析指出，具有宽尺度范围的显微结构通常有利于在宽波长范围和宽温度范围有效散射载热声子，而对电传导影响较小，进而能有效提高σ/κ。此外，本复合材料体系载流子浓度的增大是由于基体/异质相界面的扩散引起，扩散效应结合晶界效应可以实现复合材料载流子浓度和迁移率的同步优化。本项目研究成果对阐明纳米复合材料热电传输机制和实现材料热电性能的突破等具有较重要的理论意义和应用价值。