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理化所超重力重熔實(shí)現(xiàn)超高性能BiSbTe熱電材料

稿件來(lái)源：低溫材料及應(yīng)用超導(dǎo)研究中心發(fā)布時(shí)間：2025-09-15

????熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)通過(guò)塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）和帕爾貼效應(yīng)（Peltier effect）實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換，具有系統(tǒng)體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)噪聲、無(wú)損耗和無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在深空探測(cè)、固態(tài)制冷和精確控溫等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。熱電轉(zhuǎn)換效率主要由熱電材料的無(wú)量綱熱電優(yōu)值（）決定。由于電學(xué)和熱學(xué)傳輸特性之間的強(qiáng)耦合關(guān)系，使得提高材料的熱電性能頗具挑戰(zhàn)性。

近日，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室低溫材料及應(yīng)用超導(dǎo)研究中心周敏研究員、李來(lái)風(fēng)研究員等提出超重力場(chǎng)重熔協(xié)同優(yōu)化熱電性能、提升熱電優(yōu)值z(mì)T的新方法，這為實(shí)現(xiàn)高性能熱電材料研究提供了新思路。

在超重力場(chǎng)的作用下，脆性BiSbTe熱電材料經(jīng)歷了不同尋常的塑性變形，并形成了大量微觀結(jié)構(gòu)缺陷，這在常規(guī)制造工藝中極為罕見(jiàn)。從而實(shí)現(xiàn)了微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)，結(jié)合載流子濃度優(yōu)化功率因子，使BiSbTe合金的晶格熱導(dǎo)率低至?_l<0.25 W/m K，熱電優(yōu)值z(mì)T>1.91（圖1），這是目前報(bào)道的最高值。

超重力重熔后Bi_0.48Sb_1.52Te_3.03合金中過(guò)量碲蒸發(fā)，導(dǎo)致Bi(Sb)原子占據(jù)Te空位，產(chǎn)生較多帶負(fù)電的反位缺陷，在基體中形成額外的空穴，從而增加載流子濃度（表1），使電導(dǎo)率提高的同時(shí)，Seebeck系數(shù)極大值向高溫方向移動(dòng)，功率因子提高至44.5-48.9 ?W/K2cm（300K），比基體材料高約11%-22%，平均zT值達(dá)到1.63-1.66（300-500K）（圖2）?；谡娮愉螠纾ū?）和透射電子顯微鏡（圖3）對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，確認(rèn)超重力重熔后樣品內(nèi)存在諸如高密度位錯(cuò)、反位缺陷（Bi(Sb)'_Te)）和微孔等微觀結(jié)構(gòu)缺陷的堆積，這顯著增加了聲子散射，導(dǎo)致晶格熱導(dǎo)率降低約24%（300K）。因此，通過(guò)超重力重熔對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)了超低晶格熱導(dǎo)率?；诔亓χ厝跙iSbTe材料，制備相應(yīng)的熱電器件，其發(fā)電效率達(dá)到6.4%（?T=184K，T_cold=289 K），比對(duì)應(yīng)的商用器件高約52%，并且獲得了5.5W的高輸出功率，比商用模塊提高了83%（圖4）。

上述研究工作提出了一種超重力重熔制備技術(shù)實(shí)現(xiàn)高熱電性能的新策略，也可拓展至其他熱電材料體系。相關(guān)成果以Ultrahigh thermoelectricity obtained in classical BiSbTe alloy processed under supergravity為題發(fā)表在Nature Communications上。研究工作得到了低溫科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國(guó)家自然科學(xué)基金委等資助項(xiàng)目的資助。