近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所秦晓英研究员课题组在Cu3SbSe4热电性能方面取得新进展，通过协同调控功率因子和导热性能提高铜锑合金的热电性能。相关研究成果发表在Materials Today Energy（Materials Today Energy，18，100491，（2020））上。
随着工业社会的发展，化石燃料供应迅速减少，为世界人口提供可持续的能源供应已成为21世纪的重大社会问题。热电材料(TE)可以用作固态冰箱或热泵，且不需使用任何移动部件或对环境有害的液体。热电技术使热和电之间的直接转换成为可能，因此它被认为是一种有希望实现可持续发电的节能手段。TE的效率转换由无量纲值来定义，ZT= S2T /(κρ)，其中S是塞贝克系数，T是绝对温度，ρ是电阻率，κ是总热导率，总热导率是由载流子(κC)和声子(κL)共同贡献。由于S、ρ和κ三个参数是相互依存的，这就会限制高性能热电材料的发展。
近年来，Cu3SbSe4由于其组成元素廉价、本征晶格热导率低且电输运性质优异，引起了人们的极大关注。但大多数研究都集中在改善Cu3SbSe4基材料的热电性能上，并没有有效的方法可以在实现功率因子显著提高的同时降低导热系数。在该研究中，科研人员将AgSb0.98Sn0.02Se2粒子引入Cu3Sb0.96Sn0.04Se4基体中，通过研磨和电火花等离子烧结技术形成Cu3Sb0.96Sn0.04Se4/x wt%AgSb0.98Sn0.02Se2 (x = 0，1，3，5，7)纳米复合材料。研究发现，由于导热系数的降低和载流子迁移率的增强，Cu3Sb0.96Sn0.04Se4/5wt%AgSb0.98Sn0.02Se2样品的ZT值达到了1.17；热导率降低是由多尺度大小的第二相AgSb0.98Sn0.02Se2增强声子散射引起的；界面缺陷导致的新受主能级会引起迁移率增加和载流子浓度降低，从而进一步实现了功率因子的增加。该研究结果表明，在Cu3Sb0.96Sn0.04Se4基体中嵌入AgSb0.98Sn0.02Se2颗粒能够显著提高其热电性能。
上述工作得到国家自然科学基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1016/j.mtener.2020.100491
图1. (a) - (c) Cu3Sb0.96Sn0.04Se4/5 wt% AgSb0.98Sn0.02Se2的低放大率TEM图像；(d) Cu3Sb0.96Sn0.04Se4矩阵和结构模型的HRTEM图像(类似于Cu3SbSe4 [021])。
图2. Cu3Sb0.96Sn0.04Se4和Cu3Sb0.96Sn0.04Se4/x wt%AgSb0.98Sn0.02Se2 (x = 1,3,5,7)复合样品在温度300-673 K范围内的电学性能：(a)电阻率(折射率)；(b) 载流子浓度；(c) 迁移率；(d)迁移率的对数随温度变化曲线图。
图3. (a-b)本研究中所有样品的总导热系数和晶格导热系数的随温度的变化；(c)复合材料中声子输运过程示意图；(d)所有样品在整个温度范围内的ZT值。
