宁波材料所在热电材料设计及性能优化研究中取得系列进展

作者: 产品测评  发布:2019-10-20

(物理学院 科学技术处)

此外,研究人员通过第一性原理计算研究了BiCuOSe的声子输运特性,热导率计算值与实验吻合。BiCuOSe的格林爱森常数在室温约为2.5,说明其具有强非谐性,从而导致极低的热导率。研究还表明,BiCuOSe中高频声子振动主要由氧原子贡献,并且其对总体晶格热导率的贡献超过了30%,这与一般材料中热导率通常由声学声子振动决定有很大差异;通过进一步研究,揭示了这些高频模式具有较强的色散、较高的群速度且与低频声子间的散射很弱,从而建立了BiCuOSe中高频声子对热导率有异常大贡献的物理图像。另外,还发现BiCuOSe沿不同方向的声子群速度及体弹模量具有很强的各向异性,这导致其晶格热导率呈明显各向异性。相关研究结果发表于Scientific Reports, 6, 21035 。

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图3. BiCuOSe声子输运特性:热导率随温度变化;散射联合态密度随频率分布;xx与zz方向热导率及其比值;沿Г-X与Г-Z方向声子群速度随频率分布

缪峰课题组链接:nano.nju.edu.cn

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早在1993年,麻省理工学院的Mildred Dresselhaus教授和她的博士生L. D. Hicks曾预言二维量子限域效应引起的态密度增强现象会极大地提高材料的热电功率因子 (Phys. Rev. B 47, 12727 ,这为获得高性能的热电材料提供了一个非常重要的理论指导。但是截至目前,一直没有实验确切地证实这个理论预测。即使在有些实验中半导体材料量子阱的宽度已经缩小至电荷的波尔直径尺度,仍然没有观察到热电性能的显著增强。最近,我校物理学院的梁世军副研究员和缪峰教授开展实验,同时与吉林大学张立军教授理论课题组合作,利用二维材料厚度和载流子浓度可控的特性,首次证实了著名的Hicks-Dresselhaus理论预言。

以上工作得到了国家自然科学基金(11234012,11304327,11404348,11404350)、浙江省杰出青年基金(LR16E020001)、宁波市自然科学基金(2014A610011)和宁波市科技创新团队(2014B82004)的大力支持。

近日,该成果近日(2018年11月27日)以“Experimental Identification of Critical Condition for Drastically Enhancing Thermoelectric Power Factor of Two-Dimensional Layered Materials”为题发表在Nano Letters上。我校物理学院博士生曾俊文、吉林大学的贺欣博士生、我校物理学院梁世军副研究员为该论文的共同第一作者,缪峰教授、梁世军副研究员和吉林大学的张立军教授为该论文的共同通讯作者。

图1. SnTe掺杂Mn、Cd能带结构

该项研究得到微结构科学与技术协同创新中心、南京大学卓越研究计划的支持,以及国家杰出青年科学基金、科技部“量子调控”国家重大科学研究计划项目、江苏省青年基金、国家自然科学基金、中组部“千人计划”青年项目(Recruitment Program of Global Youth Experts in China)、吉林大学科技创新研究团队计划(Program for JLU Science and Technology Innovative Research Team)、国家科技支撑计划(National Key R Program of China)等项目的资助。同时该工作也得到了密苏里大学David Singh 教授的理论支持。

同时,采用BiCl3掺杂SnSe显著提高了n型SnSe的载流子浓度和电导率,获得了较高的Seebeck系数和较低的热导率。其功率因子约为5 μWcm-1K-2,js77888金莎官网,ZT值达0.7,这为n型SnSe热电材料开发提供了一种方案。相关研究结果发表于J. Mater. Chem. C, 4, 1201 ,Appl. Phys. Lett., 108, 083902 。

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