新型离子-共价性半导体材料的设计合成及热电性能研究

The current challeng in the efforts for identifying promising thermoelectric materials lies in achieving simultaneously high electrical conductivity (σ), high Seebeck coefficient (S), and low thermal conductivity (κ) in the same solid according to the dimensionless figure of merit ZT = S2σT/κ. These parameters are interdependent-changing one alters the other, making optimization extremely difficult. In order to circumvent the inherent materials conflict, the project intends to use the concepts of the covalently bound anion substructure (the electrically conducting region) and the ionic cation substructure (the electrically insulating region) to design synthesis of new ion-Covalent semiconductor thermoelectric materials with different functional structural regions ([AaREb][McQd]). By employing the ACl worked as a flux and also as a A source, RE (rare earth), M (Cu, Ag, Zn, Cd) and Q (Te, Sb) as raw materials, under a vacuum high-temperature conditions, attempts to synthesize the new ion-Covalent semiconductor thermoelectric materials ([AaREb][McQd]). Attempts to explore the promising thermoelectric materials through the assembly of the different functional structural regions and the fine-tuning of the different functional structural regions.

根据无量纲热电优值ZT = S2σT/κ（S：Seebeck系数，σ：电导率，T：绝对温度，κ：热导率），目前在热电领域研究所面临最大挑战在于在同一固体热电材料同时获得高电导率（σ），高Seebeck系数（S）和低热导（κ）。这三个参数是互相依赖的，改变其中一个参数其余的参数也随着改变，使优化变得特别困难。针对热电材料这一内在冲突，本项目拟运用共价性阴离子次结构（导电区域）和离子性阳离子次结构（电绝缘区域）的概念设计合成具有不同功能结构区域的新型离子-共价性热电材料。以ACl（A=K，Rb，Cs）为反应熔剂同时提供A，RE（稀土），M （Cu，Ag，Zn，Cd）和Q（Te，Sb）为原料，在真空高温条件下合成新型离子-共价性半导体热电材料（[AaREb][McQd]）；试图通过不同功能结构区域的组装和不同功能结构区域的微调探索有应用前景的热电材料。

根据材料的“性能与结构”的关系，从影响热电及光学材料性能的最根本因素出发，运用共价性阴离子次结构和离子性阳离子次结构的概念设计合成具有不同结构功能区域的多元新型热电及光学半导体材料。成功合成了CsRE2Ag3Te5 (RE = Pr, Nd, Sm, Gd – Er) 、RbRE2Ag3Te5 (RE = Sm, Gd – Dy)、BaBi(SeO3)2Cl 、Bi2Te(IO3)O5Cl、 Ag3I[(MoO3)2(IO3)2] 、Pb2(SeO3)(NO3)2 和Ba2Sb7O13(OH) 等系列新型化合物；解析其结构并对其相关的物理性质（如光学性质、热稳定性、热电性质等）及电子结构进行研究；并对部分化合物的结构区域进行微调（掺杂或部分取代）优化提高其热电及光学性能。同时结合能带结构理论计算，进一步探讨部分新化合物的结构与性能的关系，为无机固体功能材料的设计合成提供一种新的策略。项目负责人作为第一作者及通讯作者Journal of Materials Chemistry C (SCI一区, IF= 5.256)、Inorganic Chemistry (SCI二区, IF= 4.857)、 Dalton Transactions (SCI二区, IF= 4.097)、Journal of Alloys and Compounds (SCI二区, IF=3.133)、Journal of Solid State Chemistry (SCI 三区，IF = 2.386）、Solid State Sciences (SCI四区, IF= 1.839)等期刊发表高质量论文7篇，其中SCI一区论文1篇，SCI二区论文4篇，其他SCI论文2篇。申请发明专利1项。