热电材料

热电技术可实现热能与电能直接相互转换，具有纯固态、无噪音、无运动部件等优点，在诸如深空探测等领域已实现重要应用。当前热电技术规模化应用瓶颈在于转换效率偏低，中国科学院宁波材料技术与工程研究所光电热功能材料与器件团队聚焦热电性能优化、器件设计制备以及系统集成应用研究，并取得了一系列进展。针对当前唯一实现商用化的Bi2Te3热电材料，该团队利用大数据优选具备纳米活性的笼状物材料进行第二相掺杂，实现了电声差异散射，进一步设计缺陷工程掺杂提升功率因子，解决了该类体系中电-热强烈耦合的共性问题，制备了工业级（40mm）高性能样品（热电器件效率较商业产品提升约75%）。相关成果以High-Performance Industrial-Grade p-Type (Bi,Sb)2Te3 Thermoelectric Enabled by a Stepwise Optimization Strategy为题，发表在《先进材料》（Advanced Materials 2023, e2300338）上。针对中温区典型材料SnTe和GeTe，该研究提出了中熵工程的优化方案，设计了适当的固溶元素和固溶浓度精确调控体系的结构熵，提升了材料功率因子并降低晶格热导率，实现了电-热输运的部分解耦。得益于电声输运性能协同优化，SnTe峰值ZT达到1.5@800K，平均ZT达到0.8（300-800K），为该体系当前报道最高值；GeTe峰值ZT达2.12@650K，均值ZT高达1.43（300-773K）。相关成果分别以High-Performance Thermoelectric Material and Module Driven by Medium-Entropy Engineering in SnTe和Enhanced Thermoelectric Performance in GeTe by Synergy of Midgap state and Band Convergence为题，发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials 2022, 32, 2205458/2023, 33, 2212421）上。针对中高温区类金刚石银基/铜基材料，该团队对于令人困惑的热导率异常问题进行了理论澄清。研究通过探讨原子轨道、晶体场、局域四面体畸变等因素对电子结构的影响发现，在银基材料（AgBX2）中存在阴离子与两种阳离子成键强度的错配，由此引起强烈的非简谐性晶格振动，导致银基材料晶格热导率较铜基材料（CuBX2）低50%-80%。相关成果以Mismatched atomic bonds and ultralow thermal conductivity in Ag-based ternary chalcopyrites为题，发表在《物理评论B》（Physical Review B 2023, 107, 115202）上。研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、浙江省高水平人才专项支持计划、浙江省自然科学基金和浙江省重点研发计划的支持。图1.（a）ZT值对比及工业级样品实物图；（b）器件示意图及最大转换效率对比图2.（a）同时实现高载流子迁移率和低晶格热导率；（b）共振能级和能带收敛示意图图3.（a）CuInTe2/AgInTe2电子态密度以及各元素轨道分波电子态密度；（b）两种材料的晶格热导率计算与实验对比

作为论文的第一作者和通讯作者之一，华东师范大学物理学系理论物理研究所的柯学志博士，在最新一期的美国物理学会的权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters 103(2009)145502)上发表了有关热电材料PbTe-AgSbTe2的生长和结构方面的一篇有意义的学术论文。 　　随着全球工业化步伐的加快，世界性的能源短缺已经成为制约经济社会发展的重要因素。利用温差来发电，就是一种能源再利用的极好方法，但是其关键是选择热电材料与技术。因为其应用不需要使用传动部件，工作时静音、无排弃物，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保节能材料。因此，人们希望找到一种拥有较高的热电转换效率的材料。然而，大部分热电材料热电转换效率偏低成为制约热电材料应用的主要因素。热电转换效率主要由热电优值(ZT)来决定，现在大部分热电材料ZT1(对应热电转换效率10%),因此，提高ZT值一直是热电材料研究者的主要工作，我国也非常重视，目前有国家重大基础研究计划(973)等项目。 　　人们发现PbTe/AgSbTe2复合材料具有很高的热电性能，其平均热电性能优值ZT 有可能突破2，高于一般的热电材料，耐热温度可达到800-900K，耐热温度区间则高达500K，人们估计它的热电转换效率可能达到18%。因此 PbTe/AgSbTe2复合材料是一种非常有发展前景、亟待发掘的材料，对PbTe-AgSbTe2的研究是非常有意义的。为了研究这种材料产生高热电优值的原因，研究者首先必须知道其具体的原子结构，但是在体块材料PbTe中确定AgSbTe2纳米颗粒的生长机制及其结构是当今世界实验上的技术难题。 　　在美国内华达大学拉斯维加斯分校访问期间，柯学志博士与该校物理系的陈长风教授，美国通用汽车公司的杨继辉博士和美国Brookhaven国家实验室的实验小组进行合作，利用第一原理的量子力学方法并结合高分辨率的透射电镜仔细地研究了 AgSbTe2的生长机制及其原子结构，得到了一些有意义的结果。 　　柯学志等研究者对掺杂物AgSbTe2在PbTe中的生长机制和原子结构有了非常有意思的发现：一是模拟的图像与高分辨率的透射电镜一致 二是一般而言，一个带正电荷(的离子)总是喜欢与一带负电荷的结成一对(电偶极子)，但在一定的条件下(压力或者应力的作用下)，研究者发现情况刚好相反 三是研究者发现的基态结构比其它研究组所发现的大约要稳定相当800度的温度，这些发现可能对这一类 PbTe掺杂热电材料将有一定的指导意义。研究者计划将在此基础上进一步研究其高热电优的机理和系统地研究这一类热电材料的生长机制。(来源：华东师范大学 汪海)

热电材料能够实现热电转换，具有安全、节能、环保等优点，近年来备受关注，许多学者也围绕其开展了大量的研究工作。在本文，仪器信息网为大家盘点了热电材料研究实验室常用的制备与表征仪器清单。国内研究热电材料的课题组众多，在小编的雷达范围内，整理归纳了其中四个课题组的仪器展示表格：1.中国科学院上海硅酸盐研究所热电转换材料与器件研究课题组；2.中国科学院金属研究所热电材料与器件课题组；3.同济大学材料科学与工程学院热电课题组；4.哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院热电材料课题组。一、中国科学院上海硅酸盐研究所热电转换材料与器件研究课题组（课题组长：史迅研究员；副组长：柏胜强高级工程师；科研队伍：陈立东研究员、姚琴副研究员、瞿三寅副研究员、仇鹏飞副研究员等）该课题组主要从事高性能热电材料的设计、制备与性能优化以及高性能热电器件的设计、制造与集成方面的研究，主要内容包括：1.声子液体电子晶体材料 (类液态材料)；2.类金刚石结构；3.笼状化合物；4.有机热电材料和有机/无机复合热电材料；5.热电薄膜与微型热电薄膜器件；6.高性能热电器件设计与制造技术；7.热电空调/发电系统设计与集成技术；8.热电材料与器件测量技术。课题组仪器设备展示Seebeck系数和电阻测试系统（ZEM-3）布劳恩手套箱RS50/500型管式炉纳博热（ Nabertherm）LH15/13型箱式炉 放电等离子体快速烧结设备激光导热仪 霍尔系数测试设备电导率及塞贝克系数测试设备 X射线广角/小角衍射设备MSP（Modified Small Punch）试验装置二、中国科学院金属研究所热电材料与器件课题组（课题组长：邰凯平研究员；小组成员：康斯清工程师）该课题组长期从事功能材料设计、制备和性能表征方面的研究工作，以界面性质对材料物理、化学性能调控作用的共性基础科学问题为研究主线，主要研究内容包括：低维热电材料；多物理外场耦合仿真环境原位透射电镜表征；纳米结构抗辐照损伤材料。在原位透射电镜技术领域的成果被Science（350，9886，2015）、Chem Rev（116，11061，2016）、Adv Mater（02519，2016）等期刊评述为近十年来纳米材料原位电镜表征技术领域的关键研究成果，并被编入电子显微学教科书“Transmission Electron Microscopy”（Page 48，Springer，Heidelberg，2016）。课题组仪器设备展示多靶磁控溅射沉积系统-1多靶磁控溅射沉积系统-2热电性能测试设备ALD原子层沉积系统等离子体处理/原位TEM样品杆预抽系统Hall测试系统AFM红外成像显微镜微束/飞秒激光微纳加工系统紫外光刻机电子束/热蒸发镀膜系统3Omega频域法热导率测试系统稳态法热导率测试系统球型焊线机高温管式炉红外快速退火炉自主研制的各种类型原位仿真环境（JEOL/FEI）TEM样品杆三、同济大学材料科学与工程学院热电课题组（课题组长：裴艳中教授；小组成员：李文副教授）该研究小组主要针对当前热电材料转换效率较低这一技术瓶颈，从热电材料所涉及的基本物理及化学问题出发，设计和开发出高转换效率热电材料和器件。立足于前期工作的基础之上，今后具体的研究对象主要集中在半导体材料，研究内容主要包括：1.先进的材料制备方法；2.电、热、光、磁及微观结构的表征方法；3.能源材料性能所隐含的基本物理及化学问题；4.理论指导下的新型能源材料设计和开发；5.其它应用背景的半导体新材料的研究与开发。课题组仪器设备展示自主研制设备霍尔系数/塞贝克系数/电阻率同步测试 2个样品同时测试，300~900K，磁场1.5T塞贝克系数/电阻率同步测试系统 2个样品同时测试，300~1100K室温塞贝克系数测试系统Oxford低温（1.5~400K）与强磁场（12T）综合物理性能（Nernst，Seebeck，Hall系数与电/热导率）测试系统电弧熔炼系统电弧熔炼系统高温热压系统（升温速率＞1000C/min）封装系统材料生长炉商业设备台式扫描电镜&能谱XRDFTIR红外光谱仪声速测定仪激光导热仪惰性气氛手套箱高温熔融炉四、哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院热电材料课题组（课题组长张倩教授，学术顾问刘兴军教授）该课题组正式成立于2016年秋。主要研究方向为：热电半导体能源材料的电声输运调控、热电器件的设计与效率提升，柔性可穿戴发电与制冷器件。采用与相图工程和机器学习相结合的手段，优化传统热电材料，开发新型热电材料，促进热电发电与制冷的大规模商业应用进程。课题组仪器设备展示材料制备系统电弧熔炼炉高频悬浮熔炼炉立式真空管式炉微型金属熔炼炉双工位真空手套箱真空封管系统热压烧结系统放电等离子烧结SPS3D打印机多靶磁控溅射镀膜仪电子束蒸发镀膜仪高温箱式炉高能球磨机井式炉金相研磨抛光机金刚石线切割机性能测试系统激光导热仪-LFA 457差示扫描量热仪-DSC 404同步热分析仪-STA 2500热机械分析仪-TMA 457电阻率/温差电动势测试仪-CTAUV-vis-NIR变温霍尔测试系统变温红外光谱仪发电效率特性测定装置接触电阻测试平台焊接平台需要说明的是，以上仪器设备展示仅根据各课题组网站信息整理，并非各课题组实验室仪器的全部配置。因此，小编特整理了热电材料研究实验室常用的制备与表征仪器清单，供君参考。热电材料研究实验室仪器配置清单热电材料制备常用仪器电子天平马弗炉/电阻炉/管式炉/实验炉鼓风/真空干燥箱材料生长炉磁力搅拌器球磨机超声波清洗机放电等离子烧结SPS离心机悬浮熔炼炉/电弧熔炼炉石墨磨具原子层沉积系统真空/惰性气氛手套箱电子束/热蒸发镀膜设备恒温油浴/水浴锅退火炉游标卡尺3D打印机切割机研磨抛光机热电材料表征常用仪器X射线衍射仪赛贝克系数/电阻率测试系统X射线光电子能谱仪霍尔系数测试设备热重分析仪介电性能测试系统扫描电子显微镜热电转换效率测量系统透射电子显微镜电/热导率测试系统电子探针分析仪声速测定仪热膨胀仪红外光谱仪显微硬度仪热机械分析仪激光热导仪焊接平台差热扫描热量仪综合物理性能测试系统【近期网络会议推荐】3月23日“热电材料表征与检测技术”主题网络研讨会免费报名听会链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/2021RD/