DOI: 10.7498/aps.70.200101

经过上百年的发展, 人们清楚地认识到热电材料难以取得较高热电优值ZT值的原因在于材料的Seebeck系数S、电阻率ρ和电子热导率κ_e三个热电参数间的强耦合关系, 即它们都与载流子浓度n密切相关, 很难通过单独操控某一参数提升ZT值. 目前, 热电性能优化策略大致包括两个方面, 即电学性能的提升及热学性质的优化. 1) 电学性质方面, 通过能带工程可实现Seebeck系数S和电阻率ρ的解耦, 从而有效提升功率因子PF, 其中能带收敛、态密度共振、能带各向异性以及能带嵌套是最为典型的能带工程策略. 此外, 界面工程, 例如能量过滤效应和调制掺杂也可显著优化电学性质. 2)热学性质方面, 通常采用降低声子弛豫时间或声子群速度的方法以实现唯一相对独立的参数—晶格热导率κ_l的最小化, 包括引入晶格缺陷(点缺陷、纳米相、位错、晶界等)及晶格软化; 另外, 寻找具有本征低晶格热导率的新型热电材料也是一种可行方式, 可通过在具有复杂晶体结构、强晶格非谐性、类液态行为或低声速的材料中筛选出具有本征低晶格热导率的化合物.

可以根据热电材料的适用温区范围对热电材料进行分类. 1) 300—550 K近室温区热电材料. 目前达到商业化程度的近室温区材料为Bi₂Te₃基热电材料, 其中p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃材料最高ZT值可达~1.8. 近年来, n型Mg₃(Sb, Bi)₂热电材料在300—700 K具有优异的热电性能(ZT峰值可达~1.8). 2) 550—950 K中温区热电材料. 包括PbQ (Q = S, Se, Te), SnTe, GeTe, PbTe-AgSbTe₂(LAST)及GeTe-AgSbTe₂(TAGS)等合金体系. 近年来, 研究人员相继发现了更多高性能中温区热电材料, 如方钴矿、黝铜矿、BiCuSeO、类液态材料等, 这些中温区热电材料往往都具有较高的热电性能. 3) 950 K以上的高温热电材料. SiGe合金自20世纪50年代末被发现以来, 便成为在高温区工作发电的主要热电材料, 目前最高ZT值在1173 K下可达1.5. 此外, half-Heusler合金展现出了卓越的高温热电性能, 其p型FeNbSb基热电材料在1200 K时ZT值可达1.6. 目前不同温区的热电材料诸如Bi₂Te₃, Mg₃Sb₂, SnSe, PbTe, PbS, CoSb₃, BiCuSeO, SnTe, GeTe, Cu₂Se, half-Heusler及SiGe合金等, 不少热电材料的ZT值均已超过1.5, 甚至超过2.0.

鉴于热电材料领域关键物理科学问题研究的紧迫性, 受《物理学报》编辑部委托, 我们邀请了国内部分活跃在该领域前沿的中青年专家撰稿, 较为全面、深入地探讨了该领域最新研究成果以及基础物理科学问题. 本次专题包括五个方面的内容. 1) MAX及其衍生MXene相碳化物热电性能调控. 主要综述了近些年MAX相及其衍生MXene相材料在制备技术和热电性能的发展现状, 并针对MXene相材料的特性提出了一些改善热电性能的可行性方案, 展望了MAX相以及MXene材料在未来的发展方向和前景. 2) 通过Cu插层协同优化SnSe₂层内和层外的热电性能. 基于SnSe₂材料特殊的层状结构, 引入额外的Cu可稳定存在于范德瓦耳斯间隙, 被包围在由层间Se所形成的四面体中心位置, 协同优化了两个方向的载流子浓度和 载流子迁移率, 从而证实了SnSe₂作为层状热电材料的发展潜力. 3) 高性能Bi₂Te₃基热电薄膜的可控生长. 利用磁控溅射法制备了一系列n型Bi₂Te₃基薄膜, 研究衬底温度和工作压强对薄膜生长模式的影响规律, 通过溅射参数精确调控薄膜的形貌、结构和生长取向, 制备出层状生长的高质量致密薄膜, 克服了n型Bi₂Te₃基薄膜材料难以匹配p型Bi₂Te₃基薄膜材料的困难. 4) 二维共价键子结构Zintl相热电材料. 主要综述了性能突出的CaAl₂Si₂结构1-2-2型、原胞内原子较多本征低热导率的9–4+x–9型、具有天然空位而本征热导率极低的2-1-2型、以及电性能相对较好的ZrBeSi结构1-1-1型Zintl相的研究进展. 5) 黄铜矿CuGaTe₂热电性能优化. Ni原子可有效替代CuGaTe₂材料中Cu的位置, 并引起载流子浓度下降和迁移率提升, 掺杂后费米能级附近态密度的提升是Seebeck系数显著增强的主因, 最终ZT值在873 K可达1.26, 因此证实磁性元素掺杂是提升热电性能的有效手段. 以上五个方面的热电材料研究, 从不同材料、不同视角探讨了热电材料的最新进展、问题、现状以及展望. 希望本专题能为国内热电材料及应用物理领域的学术交流做一些贡献, 进一步促进该研究领域的发展.

(客座编辑: 昂然 四川大学; 赵怀周 中国科学院物理研究所)

SPECIAL TOPIC—Thermoelectric materials and applied physics

Preface to the special topic: Thermoelectric materials and applied physics

DOI: 10.7498/aps.70.200101