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张倩教授团队在新型热电材料领域取得重要研究进展
发布时间:2021-10-09 17:36:27 1777

【哈工大(深圳)宣】(材料学院/文、图)近日,材料科学与工程学院和材料基因与大数据研究院张倩教授课题组在热电材料领域取得重要研究进展,相关研究成果发表在《自然通讯》、《科学进展》、《美国科学院院刊》和《纳米能源》等国际著名期刊上。

热电材料是一种能够实现热能和电能直接相互转化的功能材料,采用热电材料制造的热电发电器件和固体制冷机具有体积小、重量轻、使用寿命长、工作中无噪音、无污染等多重优点,在日益严苛的能源与环保要求下有着广阔的应用前景。Zintl相化合物由于其“电子晶体-声子玻璃”的结构特性受到了人们的广泛关注。

张倩教授课题组在前期的工作中报道了具有极低热导率的Zintl相热电材料Eu2ZnSb2,相关研究成果以《Zintl-phase Eu2ZnSb2: A promising thermoelectric material with ultralow thermal conductivity》为题发表于Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. (2019, 116: 2831) (影响因子11.205)上,博士后陈辰为文章第一作者。该化合物中存在50%的Zn空位,大量Zn空位可提供有效声子散射中心,为超低晶格热导率和高zT值提供了有利保障(图1a, 1b)。基于本征结构设计的具有低晶格热导率的新型高性能Zintl相热电材料,为中温区热电应用提供了一种新的材料选择。课题组在此基础上发现具有该结构的一类材料均具有超低晶格热导率,如Eu2ZnBi2、Sr2ZnSb2等,以及具有类似结构的另外一类有前景的热电材料SrAgSb、BaAgSb、EuAgSb、EuCuSb等,极大拓展了Zintl相热电材料的研究范围。相关研究成果发表于Nano Energy (2020, 73:104771), Chem. Mater. (2020, 32:6983),Sci. China. Mater. (2021, 64:2541)等国际期刊上,哈工大(深圳)为第一完成单位和通讯单位。

在对Eu2ZnSb2块体材料的电子结构进行研究时,张倩教授课题组与林熹教授课题组、密苏里大学David J. Singh教授合作,发现该材料可以通过调节子结构ZnSb2的排布实现空位有序化,进而获得常出现在低维材料中由于边缘结构带来的电子拓扑转变现象(图1c, 1d)。通过对这种Eu2ZnSb2热电材料的电子结构的深入理解,有助于指导调控热电材料的性能提升。相关研究成果以《Vacancy ordering induced topological electronic transition in bulk Eu2ZnSb2》为题发表于Sci. Adv. (2021, 7: eabd6162)(影响因子14.136)上。哈工大(深圳)为第一完成单位和通讯单位,2019级博士生姚洪浩为文章第一作者。

为了进一步揭示Eu2ZnSb2的电声输运机制,张倩教授课题组与密苏里大学David J. Singh教授、香港大学陈粤副教授等合作开展相关研究。结果表明,声子-声子相互作用与振动行为、低体积模量和Zn亚晶格上的无序散射导致了Zintl相Eu2ZnSb2在非常宽的温度范围内具有接近理论最小值的热导率。同时,与高度随机无序的正常情况相比,Eu2ZnSb2依然保持较好的载流子迁移率,这主要由于Zn空位在较短尺度上的有序化(图2a-2d)。本工作为Zintl相热电材料的设计指出了一种新的思路,在一个存在无序亚晶格的材料中,局部尺度的有序化会产生类似本征纳米结构具有的性质,进而实现热电性能的优化。该研究成果以《Intrinsic nanostructure induced ultralow thermal conductivity yields enhanced thermoelectric performance in Zintl phase Eu2ZnSb2》为题发表于《自然通讯》(Nat. Commun.)(影响因子14.91)上,哈工大(深圳)为第一完成单位和通讯单位,博士后陈辰为文章第一作者。(编辑 吴锐婵)

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图1 a. Eu2ZnSb2的高角环形暗场扫描透射(HAADF-STEM)图像;b. 典型的Zintl相热电材料zT值对比;c. Zigzag型Eu2ZnSb2的能带结构(stagger模型,考虑自旋轨道耦合);d. 图c对应的模型在布里渊区kx-ky面的三维能带结构(-0.1 eV ~ 0.2 eV)

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图2 a. Zigzag型Eu2ZnSb2的ZnSb2阴离子基团示意图;b. 典型的Zintl相热电材料晶格热导率和载流子迁移率的关系;c. Eu2ZnSb2的声子谱;d. Eu2ZnSb2散射相空间与声子频率的关系

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-021-25483-w

https://www.pnas.org/content/116/8/2831

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abd6162

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221128552030328

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520303281

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.0c02317 

https://link.springer.com/article/10.1007/s40843-020-1640-2