南洋理工&美國西北大學J Am Chem Soc：間隙態和聲子工程提高n型PbTe熱電性能

【前言】

在化石燃料的利用過程中，大部分能量以廢熱的形式被排放到周圍環境，造成了大量溫室氣體排放、嚴重的空氣污染和能源危機。如何回收利用這些熱能并提高能源利用效率，進而緩解環境污染問題和能源危機，是擺在人類面前的一個重要挑戰。熱電材料能夠實現熱能和電能的直接相互轉換，在廢熱回收利用和微電子集成器件制冷等領域具有廣泛的應用前景。提高材料熱電優值（ZT），尤其是平均熱電優值（ZT_avg），是提高器件轉換效率并最終得以實際應用的關鍵。具有高ZT值的熱電材料必須同時具有高電導率、大Seebeck系數以及低熱導率。然而，由于這些參數在熱和電傳輸過程中具有強的關聯性，使得ZT值的提高異常艱難。

【成果簡介】

碲化鉛（PbTe）是一種典型的中溫熱電材料。p型PbTe性能優異，ZT峰值可達2.5左右。然而，n型PbTe的ZT峰值僅為1.8左右，ZT_avg約為1。對于熱電器件的制備，需要性能匹配的p型和n型熱電材料。性能較差的n型熱電材料嚴重限制了PbTe在熱電器件方面的應用。因此，如何有效的提高n型PbTe的熱電性能尤為重要。為此，新加坡南洋理工大學顏清宇教授課題組、美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis教授課題組與合作者，近期在n型PbTe材料中實現了熱電性能的突破。所研制的n型材料在400-773K溫度區間ZT_avg達到1.27，是n型PbTe熱電材料報道的最高值。

該研究的主要策略包括：(1)前期的研究成果表明，Ga摻雜可以在PbTe中引入淺能級施主態和深能級施主態。進一步通過Ga摻雜和Ge合金化，可以有效調節能帶結構，在禁帶中引入兩條間隙態。第一性原理和Boltzmann輸運計算表明，該間隙態提高了載流子有效質量和Seebeck系數，與實驗測試結果相吻合。（2）偏心的摻雜Ge原子能夠有效的軟化聲子振動模式，產生低頻振蕩，降低晶格熱導率。（3）另外，Ga₂Te₃納米析出相進一步降低了晶格熱導率。相比于前期Sb摻雜的PbTe，在同樣濃度的Ge合金化條件下，樣品微結構表征顯示為固溶體。而該研究工作中，Ga摻雜成功的引入納米析出相，與固溶體體系相比較，納米析出相極大的降低了晶格熱導率。綜上，Ga摻雜和Ge合金化不僅調控能帶結構優化了n型PbTe材料的電輸運性能，并且引入納米相和偏心原子增強了聲子散射，有效提高了熱電優值，尤其是平均熱電優值。

【圖文導讀】

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圖1.能帶結構調控和聲子工程策略提高n型PbTe熱電優值。

圖2. Pb_0.98Ga_0.02Te-5%GeTe樣品的微觀結構表征。

圖3. Ga摻雜和Ge合金化的n型PbTe平均熱電優值ZT_avg和其他n型PbTe熱電材料的比較。

相關研究成果發表在Journal of the American Chemical Society DOI: 10.1021/jacs.9b09249上。文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b09249。

本文由新加坡南洋理工大學顏清宇教授課題組供稿。

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