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十分彩官方平台周小元-盧旭教授課題組在Advanced Materials上發表研究成果

作者:點擊次數:更新時間:2022年02月15日

202221日,十分彩官方平台周小元-盧旭教授課題組在Wiley出版的《Advanced Materials》上發表了題目為非常規摻雜效應致Cu3SbSe4基複合材料實現超高平均熱電功率因子”(Unconventional doping effect leads to ultrahigh average thermoelectric power factor in Cu3SbSe4-based composites)的研究論文。該論文的工作全部在重慶大學完成以十分彩官方平台為第一通訊單位,重慶大學碩士研究生黃玉玲、助理研究員張斌為共同第一作者,周小元教授和盧旭教授為共同通訊作者。

尋找可替代的清潔能源,建設可持續社會已成為21世紀世界各國的主題之一。熱電材料(Thermoelectric Materials無需任何運動部件或介質就可以直接將熱量轉化為電能,近年來引起了學術界的廣泛關注。熱電材料通常是高簡並半導體,需要較高的載流子濃度。然而,傳統的摻雜方法使用異質原子取代基體原子,摻雜效率受到元素溶解度極限的限製更為重要的是,這種摻雜方法容易在室溫附近引起強載流子散射,導致電學性能惡化。

近日,來自十分彩官方平台新能源材料與器件課題組報道了一種高效率提高半導體的載流子濃度並且保持高遷移率的非常規摻雜效應。在這項工作中,作者通過實驗表征和理論計算, CuAlSe2複合Cu3SbSe4基體上引入微量的外來原子Al來穩定Cu3SbSe4中的Sb陽離子空位。結果表明,在“穩定原子”Al的幫助下,Sb位置原子的空位形成能降低,在高效率提升載流子濃度的同時,對載流子的遷移率影響甚微,從而達到優化熱電材料電學輸運性能的目的。比起常規摻雜手段,非常規摻雜方式顯示出更高效率的電性能協同優化(載流子濃度與遷移率)。同時,這項工作在熱電性能的優化上取得了突出成績,例如,673 K獲得峰值功率因子為20 μW cm1 K2300~723 K的溫度範圍內平均功率因子為19 μW cm1 K2平均熱電優值提升到0.72為目前銅基類金剛石結構的熱電材料報道的最高數值。

該論文的工作為優化三元化合物的空穴濃度提供了一種新策略,即通過穩定元素促進陽離子空穴的生成,而穩定元素對空穴傳輸的影響較小。同樣的策略可用於保持需要高載流子濃度的半導體的載流子遷移率。因此,非常規摻雜效應值得在熱電材料之外的其他領域進一步探索。

該研究得到了國家自然科學基金和中央高校基本科研業務費等基金的支持。

論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202109952

圖中所示為常規摻雜策略的機製示意圖及其在熱電性能提升中的作用。