近期，固体所材料应用技术研究室秦晓英研究员课题组在Cu₃SbSe₄材料热电性能研究方面取得新进展。通过利用等离子火花烧结技术在铜锑合金共掺杂中实现了超低导热性能和优异的热电性能。相关研究成果发表在ACS Applied Materials&Interfaces (ACS Appl.Mater.Inter., DOI:10.1021/acsami.9b20103)上。

热电(TE)技术使热和电之间的直接转换成为可能，因此被认为是一种很有希望的可持续发电和节能手段。TE的转换效率由无量纲值来定义，ZT= S²T /(κρ)，S是塞贝克系数，T是绝对温度，ρ是电阻率，κ是总热导率。三个参数S、ρ和κ是相互依存的，这限制了高性能热电材料的发展。然而，κ可以通过一些典型的声子阻断方法相对独立地调节，例如点缺陷、晶界、晶格应变工程、位错、全尺度分级纳米介观结构和嵌入在基质中的内皮纳米结构。

Cu₃SbSe₄基材料因其成本低、生态友好、元素丰度高等优点，在中温范围内引起了广泛关注。可以采用自上而下的方法(如机械合金化(MA)、熔合法)和自下而上的方法(如共沉淀法和溶剂型合成法)来制备。一般来说，所得化合物的热电性能取决于制备方法。然而，由于热导率高，熔合法制备的Cu₃SbSe₄基体系的峰值(ZT)通常小于1。

为此，科研人员通过共沉淀法结合火花等离子烧结技术，原位制备出Cu₃Sb_0.94Sn_0.06Se_4-yS_y /Cu₃SbSe₃纳米复合材料。一方面，由于其纳米沉淀物增强了声子散射，导致了其超低的热导率；另一方面，其电子态密度有效质量的提高使得其塞贝克系数得到提高，最终导致Cu₃Sb_0.94Sn_0.06Se_4-yS_y / Cu₃SbSe₃纳米复合材料热电性能得到有效提升， ZT值高达1.32。

该工作得到国家自然科学基金的支持。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b20103

图1. (a) Cu₃Sb_0.94Sn_0.06Se_2.5S_1.5的低磁场透射电镜图像；嵌入(a) Cu₃SbSe₄基材料的尺寸分布直方图；(b-d)沉淀和基体的HR TEM图像。

图2. Cu₃Sb_0.94Sn_0.06Se_4-yS_y(y=0.5、1和1.5)随温度相关的(a)比热；(b)热导率；(c)晶格热导率；(d)ZT值。