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十大网赌网址物理系博士生徐啸在Advanced Science发表 Sb2Te3(GeTe)n基热电材料最新研究成果

2018-12-16 科研新闻

        近日,十大网赌网址物理系何佳清教授团队2016级博士生徐啸以第一作者身份在材料领域期刊 Advanced Science(影响因子12.4)上发表题为 《Boosting the Thermoelectric Performance of Pseudo-Layered Sb2Te3(GeTe)n via Vacancy Engineering》的学术论文。物理系研究副教授谢琳为该文章共同第一作者,何佳清为文章通讯作者。


徐啸在做实验

        热电材料是能够实现热能与电能直接相互转换的新能源材料,在热电制冷和废热发电等方面有着广泛的应用前景,对于提高现有能源利用率和缓解能源危机有重要作用。然而,易于大规模商业应用的中温区热电材料一直面对着效率低,原料含铅等质疑,因此,开发利用低毒性的中温区热电材料越来越受到研究者们的关注。

        Sb2Te3(GeTe)n基热电材料原料毒性较低,且其特有的赝层状结构能够带来较低的晶格热导率,值得研究者们广泛关注。然而,由于Sb2Te3(GeTe)n材料载流子浓度过高,影响其效率,制约了该体系热电材料的进一步发展。

        徐啸打了一个比喻,Sb2Te3(GeTe)n材料内的载流子就像马路上行驶的汽车,倘若载流子浓度过高,就像一条道路上的车辆数量过多,最终会引起交通堵塞,影响热电材料的效率。

        何佳清教授团队在研究中发现,通过适当的退火工艺,可以有效调控Sb2Te3(GeTe)n基材料中阳离子缺陷的类型,该工作运用球差矫正电子显微镜的原位观测技术及高角暗场扫描透射电镜技术(in situ/HAADF-STEM)等, 通过比对退火前后的样品及在电镜下模拟退火过程,清楚地追踪到样品中阳离子缺陷由短程的点缺陷聚集演化成长程的面缺陷的过程,使得调控样品内载流子浓度降低到合适的程度,最终达到优化材料性能的目的。

        该项工作使得Sb2Te3(GeTe)n基热电材料的总体性能大幅提升。据悉,热点材料优值ZT越高,其转换效率越高。在温度达到773K时,热电材料优值ZT达到了2.4,在323~773K较宽的工作温度区间内,材料的平均ZT高达1.51,能够满足中温区热电材料在商业应用中对性能的需求,有望解决Sb2Te3(GeTe)n基热电材料效率较低的问题。

        本研究成果在目前热电材料亟待推广的低品位废热发电方向以及未来有可能实现的可穿戴自驱动电子器件与智能传感设备方面有较大的应用前景。

        这项研究还得到了物理系研究助理教授吴笛(现陕西师范大学教授)的鼎力支持,物理系2016级本科生娄晴也承担了其中的部分科研工作。

        这项工作的开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科创委基础研究等项目的支持。

不忘求知初心,终会收获惊喜

        何佳清分享了在此项科研工作中的感受:“最美的风景不会总在你预想的那条道路上。不忘求知初心,终会收获惊喜。拿这次这项工作来说,一般而言,同一根样条在重复测量的过程中势必会存在一定的性能衰减,但我们在前期实验时却发现样品性能非常稳定,性能稳定也是一种不错的优势,很多人可能就忽略掉这一点现象直接按照既定实验方案去推进,但这时候我们就在问自己:为什么它会如此稳定?这背后是不是有什么我们没弄明白的物理机制?最终,我们通过相关实验探索,得到了现有的结论,而这个结果对这整个体系的材料来讲,也是至关重要的。”

        谈及学生培养,何佳清表示,他一直认为创新是人才培养的核心和关键。不给他们的思维设置“挡板”,才能充分调动学生的发散性思维,才能在十大网赌网址这片科研的热土上,结出更多令人惊艳的果实。

论文链接:https://doi.org/10.1002/advs.201801514

 

科学术语小贴士:

热电材料优值ZT:

热电材料的热电转换效率主要取决于优值系数ZT,其表达式为ZT =α²·σ·T /κ,其中α 为Seebeck 系数,σ为电导率,κ 为热导率,T 为温度。热电材料的ZT值越高越好,由此可知, 要提高热电材料的热电转换效率, 需要提高Seebeck 系数和电导率, 减小热导率。

载流子:

载流子就是带有电荷、并可运动而输运电流的粒子,包括电子、离子等。半导体中的载流子有两种,即带负电的自由电子和带正电的自由空穴。

 

供稿:物理系

采访:童小晋

 

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