日本丰田工业大学Nat. Commun.: 在金属Cu2Se中发现巨大的塞贝克效应

时间:2019-11-14 08:00:01 来源:四川之窗 当前位置:牧人的狼 > 家居 > 手机阅读

【引言】

在过去的几十年中,热电材料(TE)因为能够将废热转化为有用的电能,而得到了系统和全面的研究。热电材料的能量转化效率ZT=S2σT/κ,其中S,σ,T和κ分别代表塞贝克系数,电导率,绝对温度和热导率。到目前为止,已经发现和开发了多种热电材料,其中一些具有较高的ZT值,但由于整体性能不足,并不能广泛用于各种应用。

有史以来报导的ZT的最大值是在单晶SnSe3中发现的ZT=2.6。然而最大ZT所对应的温度为900K,其他方法在这个温度下会具有更高的能量转换效率。在300~400K的中低温范围内,大量的废热被排放到周围环境中,目前还没有任何有效的方法可以产生电能,因此,热电材料的开发十分必要。到目前为止,基于Bi2Te3的材料在该温度范围内具有最佳性能,其ZT值高达2.08。然而,这些ZT值仍然存在争议。

所有这些材料都具有非常小的晶格热导率小于1.0W/m/K以及较大的功率因数PF=S2σ,其与适合于热电材料的电子结构和最佳载流子浓度密切相关。S和σ都是与载流子浓度相关的函数:前者随着载流子浓度的减少而增加,而后者随载流子浓度的减少而减少。因此,科研工作者研究了许多材料的最佳载流子浓度,并且实现了几百μV/K的塞贝克系数,几个mΩ cm的电阻率,以及几个mW/m/K2的功率因数。

【成果简介】

近日,日本丰田工业大学发现 “金属”Cu2Se在340-400 K温度范围内具有巨大的塞贝克系数,其中材料内发生有序-无序结构转变,具有超过2.3W/m/K2的功率因数值。这个数值是在不寻常的温度梯度下观察到的,该温度梯度不仅适用于与塞贝克测量方向平行的方向,同时也适用于垂直的方向。在非常小的晶格热导率(小于1.8W/m/K)的支持下,ZT值超过450。这些巨大的S,PF和ZT值是在低温阶段获得的,这是由于持续高温所引起的自调整载流子浓度的结果。该成果以题为”Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu2Se”发表在Nat. Commun.

【图文导读】


Figure 1.Cu2Se的结构分析 

(a,b).室温和473K下,同步辐射粉末衍射图案

(c).Cu2Se在高温和低温下的晶体结构

(d).相分数随温度的变化


Figure 2.Cu2Se的塞贝克系数

(a).塞贝克实验装置

(b).实验所测得的塞贝克系数

(c).热电动势的原始数据


Figure 3.Cu2Se中塞贝克系数的重现性


Figure 4.Cu2Se热电性质的温度依赖

(a).电阻率

(b).功率因数

(c).导热率

(d).比热和热扩散率

(e).ZT值

(f).ZT温度依赖性异常行为区域显示两个峰值

(g).ZT温度依赖性中所观察到平台区


Figure 5.简化Cu2Se的计算电子态密度和塞贝克系数 

(a).电子密度

(b).区域放大

(c).计算的塞贝克系数随化学势能的变化


【小结】

在这个工作中,作者发现在同时施加于平行和垂直测量方向的温度梯度下,金属Cu2Se在发生结构相变的较窄温度范围内(340K<T<400K)显示出两个信号反转和超过±2mV/K的巨大S值。具有超过600 S cm-1的较大幅度的σ的金属行为导致S2σ=2.3W/m/K2的巨大值。小于2W/m/K的小热导率导致ZT值超过400。

Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu2Se

(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07877-5)

本文由材料人学术组gaxy供稿,材料牛整理编辑。 

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