固態(tài)熱電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換，在航天探測器以及微型電子器件精準(zhǔn)控溫等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。在熱電材料研究領(lǐng)域，常通過構(gòu)建納米尺度的晶粒或者多孔結(jié)構(gòu)來有效降低材料晶格熱導(dǎo)率，從而提升材料的熱電性能。然而在實(shí)際應(yīng)用中，具有納米尺度晶粒的材料在高溫環(huán)境服役過程中，面臨著晶粒長大乃至蠕變的問題，從而導(dǎo)致材料性能衰減乃至器件失效；而材料中的多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)影響載流子輸運(yùn)，有可能導(dǎo)致材料電性能的下降。截至目前，這仍然是熱電領(lǐng)域極為重要的兩個(gè)科學(xué)問題。
西安交大材料學(xué)院材料強(qiáng)度組武海軍教授與哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通力合作，結(jié)合高能球磨合金化和熱壓燒結(jié)，在MgAgSb熱電材料中同時(shí)構(gòu)建了超細(xì)納米晶（平均晶粒約為93nm）和多尺度納米孔洞兩種缺陷結(jié)構(gòu)，獲得了接近MgAgSb材料非晶極限的晶格熱導(dǎo)率和超過目前所有MgAgSb基材料的熱電優(yōu)值。與高性能的n型Mg3.2(Bi, Sb)2熱電材料組成的熱電器件的制冷性能超過了先前報(bào)道的非Bi2Te3熱電器件的性能。該研究創(chuàng)新性地將細(xì)晶結(jié)構(gòu)和納米多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用到熱電制冷器件中，顯著提升了制冷性能并避免了材料性能的高溫衰減。
以上研究成果以《超細(xì)晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能》（Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials）為題發(fā)表在《Materials Today》《今日材料》上。
西安交通大學(xué)材料學(xué)院碩士生劉子雨為共同一作，博士生彭古揚(yáng)為共同作者，材料學(xué)院武海軍教授為共同通訊作者。本項(xiàng)研究工作得到了西安交通大學(xué)分析測試中心在電鏡微結(jié)構(gòu)表征方面的鼎力支持。
該合作團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步在熱電界面材料智能設(shè)計(jì)和高效器件研制領(lǐng)域取得了關(guān)鍵突破實(shí)現(xiàn)了在300度溫差下9.25%的熱能到電能轉(zhuǎn)化效率有望提高能源利用效率研究成果發(fā)表在《科學(xué)》（Science）上。
熱電發(fā)電機(jī)（溫差發(fā)電器）是一種可直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，對(duì)于發(fā)電和重新利用其他釋放熱能的應(yīng)用中具有重要價(jià)值。放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)就是一個(gè)很好的例子，四十多年來，它一直為外太空的旅行者號(hào)探測器提供動(dòng)力。在過去一段時(shí)間，熱電材料的性能取得了驚人的進(jìn)步。除了材料本身的熱電特性外，熱電材料與電極之間的界面對(duì)設(shè)備的輸出性能和長期穩(wěn)定性也有相當(dāng)大的影響。在運(yùn)行過程中，界面上的原子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備不穩(wěn)定和降解，尤其是在高溫條件下。為了消除這些不利影響，必須采用高效穩(wěn)定的原子擴(kuò)散屏障，即熱電界面材料（TEiM）。傳統(tǒng)的熱電界面材料選擇標(biāo)準(zhǔn)圍繞著匹配熱膨脹以實(shí)現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)健性和調(diào)整功函數(shù)以實(shí)現(xiàn)低接觸電阻這兩個(gè)方面。然而，由于缺乏堅(jiān)固耐用的材料構(gòu)成設(shè)備內(nèi)電極與熱電材料之間的界面，熱電材料在熱電發(fā)生器中的應(yīng)用一直受到阻礙。
為了解決這一難題，合作團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種根據(jù)密度泛函理論計(jì)算得出的相圖預(yù)測結(jié)果對(duì)TeiM進(jìn)行篩選的策略。通過將相圖與潛在反應(yīng)產(chǎn)物的電阻率和熔點(diǎn)相結(jié)合，作者發(fā)現(xiàn)半金屬 MgCuSb 是高性能 MgAgSb 的可靠TEiM。MgCuSb/MgAgSb 結(jié)即使在 553 開爾文溫度下退火 16 天，也能表現(xiàn)出較低的界面接觸電阻率。在300開爾文的溫度梯度下，制造出的兩對(duì) MgAgSb/Mg3.2Bi1.5Sb0.5 模塊的轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 9.25%。作者對(duì)模塊性能進(jìn)行了國際循環(huán)測試，以確認(rèn)測量的可靠性。該策略可應(yīng)用于其他熱電材料，填補(bǔ)了熱電模塊開發(fā)領(lǐng)域的重要空白。
相關(guān)成果以“Screening strategy for developing thermoelectric interface materials”（熱電界面材料開發(fā)篩選策略）為題發(fā)表在《Science
西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生彭古揚(yáng)和武海軍教授為共同作者。本項(xiàng)研究工作得到了西安交通大學(xué)分析測試中心在電鏡微結(jié)構(gòu)表征方面的鼎力支持。
近日，該合作團(tuán)隊(duì)基于該復(fù)合策略做進(jìn)一步研究。持續(xù)的熱電研究集中于提升發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率，而同時(shí)實(shí)現(xiàn)高輸出功率仍顯不足。特別是，目前報(bào)道的基于Mg的模塊的最高輸出功率密度僅為商用Bi2Te3模塊的一半，主要?dú)w因于MgAgSb的低功率因子。在本研究中，MgAgSb基體中均勻分布的MgCuSb原位析出納米顆粒，由于金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸的載流子注入效應(yīng)，有效優(yōu)化了載流子濃度。因此，在300-550 K的溫度范圍內(nèi)，MgCu0.1Ag0.87Sb復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的平均功率因子27.2 μW cm?1 K?2，遠(yuǎn)高于MgAgSb系統(tǒng)的先前報(bào)道值。得益于p腿優(yōu)化的平均功率因子與低界面電阻率的結(jié)合，制備的八對(duì)MgCu0.1Ag0.87Sb0.99/Mg3.2Bi1.5Sb0.5模塊在300 K的溫度差下展現(xiàn)出前所未有的高輸出功率密度2.9 W cm?2，優(yōu)于所有低溫先進(jìn)熱電模塊。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了7.65%的競爭力轉(zhuǎn)換效率。這項(xiàng)工作顯著推進(jìn)了Mg基模塊在低溫可持續(xù)能源收集領(lǐng)域的高功率熱電應(yīng)用。
相關(guān)成果以“Semiconductor–Semimetal Composite Engineering Enabling Record-High Thermoelectric Power Density for Low-Temperature Energy Harvesting”（半導(dǎo)體-半金屬復(fù)合材料工程，實(shí)現(xiàn)低溫能量收集的創(chuàng)紀(jì)錄熱電功率密度）為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials
西安交通大學(xué)材料學(xué)院博士生彭古揚(yáng)為共同一作，武海軍教授為共同作者。本項(xiàng)研究工作得到了西安交通大學(xué)分析測試中心在電鏡微結(jié)構(gòu)表征方面的鼎力支持。
文章來源：西安交通大學(xué)
