Adv. Mater.：以熵為材料基因表達指標提高熱電材料性能

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——材料人編輯部 ?

【引言】

熱電轉換技術具有無需傳動部件、尺寸小、可靠性高等諸多優點，因而成為新能源技術中的研究熱點。目前熱電材料的研究核心在于尋找高熱電優值的材料和如何有效提高熱電材料的ZT值，而材料基因組工程為此開辟了一條高通量之路。材料基因組工程通過材料計算、材料合成和表征及數據庫技術，整合與協同，快速甄別決定材料性能的關鍵基本因素，通過材料的性能優化和新材料的設計，實現科學化的“系統尋優”，大大縮短新材料研發應用周期。

【成果簡介】

中科院上海硅酸鹽研究所的陳立東研究員、史迅研究員和南方科技大學的張文清教授（共同通訊作者）等人于Adv. Mater上發表了文章“Entropy as a Gene-Like Performance Indicator Promoting Thermoelectric Materials”，研究者提出了采用材料中的“熵”這一具有類似基因特性的基礎參量作為熱電材料的性能表征參數，實現對多元熱電材料的快速篩選，發展了計算多元熱電材料體系熵的模型與方法，并結合計算與實驗對一系列多元體系進行了篩選、設計和驗證，發現通過調節熵能夠調控和改善材料的熱電輸運性能。該項工作是材料基因工程研究方法在熱電材料上成功應用的重要體現，豐富了“材料基因工程”理念的研究領域和內容。

【圖文導讀】

圖1通過熵工程增強熱電性能

A) 多組分材料與單一晶體材料的晶格結構對比圖

B) 多組分TE材料的熵工程示意圖。 紅線和黑線分別表示構型熵（ΔS）和形成焓（ΔH）

C) 最大構型熵（以kB為單位）與多組分TE材料的材料溶解度參數δ的函數關系圖，其中n為組分數

D) Cu₂(S/Se/Te)-、(Cu/Ag)(In/Ga)Te₂-、Cu₈Ge(Se/Te)₆-基等多組分熱電材料最大ZT值與構型熵的關系圖

圖2 多組分熱電材料中的固溶度和能量估算

A) 二元體系中平均剪切模量(G)與R(—)*(R*)²/Z的散點分布圖

紅色線和黑色線分別表示溶解度為0.5和0.01的曲線

B) 內部應變能、熵增與組分數量(n)的函數關系圖

黑色實線表示構型熵貢獻的能量

圖3 Cu₂S_1/3Se_1/3Te_1/3的3D原子探針斷層掃描檢測

A) 離子質譜

B) 3D-原子面掃圖

C) 四種元素最近鄰原子分布曲線圖

黑線表示假設所有原子在材料中均勻任意分布的計算值

圖4 多組分熱電材料的晶格熱導率和Seebeck系數

A) κ_L與構型熵的關系圖

B) (Cu/Ag)(In/Ga)Te₂-和Cu₂(S/Se/Te)-基多組分材料的室溫α 與構型熵的關系，其載流子濃度范圍分別為(1.0–2.0) × 10¹⁹ 和(1.0–3.0) × 10²¹ cm^?3.

【小結】

該研究團隊首先建立了彈性力學模型一系列對二元和多元熱電材料體系的固溶特性進行了評估，獲得了決定體系構型熵上限的本征固溶因子d 判據，根據該判據可對各種熱電材料體系能否實現高熵固溶進行有效篩選，成功高通量預測了多元熱電材料 (Cu/Ag)(In/Ga)Te₂、Cu₂(S/Se/Te)、(Mn/Ge/Sn/Pb)Te，該模型也有望應用于其他非熱電材料體系。

文獻鏈接：Entropy as a Gene-Like Performance Indicator Promoting Thermoelectric Materials（Adv. Mater, 2017, DOI: 10.1002/adma.201702712）

本文由材料人編輯部電子電工學術組zzzlx整理編譯。

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