低熱導率三元稀土硫族化合物的熱電特性調製

《低熱導率三元稀土硫族化合物的熱電特性調製》是依託杭州電子科技大學，由霍德璇擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：低熱導率三元稀土硫族化合物的熱電特性調製
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：霍德璇
• 依託單位：杭州電子科技大學

項目摘要

凝聚態物理的最新進展揭示了拓撲絕緣體這一新物質形態及其獨特的物理特性。它們的能帶與普通絕緣體有本質區別，其中的載流子在晶體內部有帶隙，但是在表面存在受時間反演不變性保護的無能隙的邊緣激發態，表面態的電子存在無背散射的電輸運通道。絕大多數拓撲絕緣體是性能良好的熱電材料，尤其是Bi2Te3和Bi2Se3等是最典型的三維拓撲絕緣體。揭示該新物質形態的拓撲特性與熱電特性的內在規律，為調製熱電材料的功率因子提供了新的途徑。我們以三元稀土硫族化合物RXTe3為對象，用布里奇曼法生長高質量單晶體、用磁控濺射技術和雷射脈衝沉積技術製備薄膜和超晶格材料，用元素替代、高壓合成等途徑調控材料的電子態特性，實驗研究它們的拓撲性質與熱電特性之間的聯繫，探索表面金屬態調控的方法，實現材料的高塞貝克係數與高電導性兼具的物性。它們具有與Bi2Te3類似的層狀晶體結構和低熱導率的特點，期望通過電子結構調控獲得高性能材料。

結題摘要

近幾年的研究表明，以Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3等化合物等為代表的多數性能優異的熱電材料同時表現出新穎的拓撲絕緣體特徵。探究拓撲絕緣體特性與良好熱電特性之間的關聯，為尋找新型高效熱電材料的研究提供線索，我們以三元稀土硫族化合物RXTe3為對象，用固態反應、高速球磨加電漿燒結方法製備了它們的多晶塊體材料，並進行了熱電特性表征。它們具有層狀晶體結構和非常低熱導率。採用溶劑熱發和布里奇曼法生長它們的單晶體沒有成功，拓撲特性研究無法深入展開。利用第一性原理計算方法研究了相關體系材料的電子結構和熱電特性。發現在300 K，AlSiTe3功率因子可以達到0.38μW/(m.K2)，熱電優值（ZT值）有望達到0.76。計入自旋軌道耦合後，預測了新化合物LuBiTe3具有良好的熱電特性。用高溫高壓合成法製備研究了幾種包合物，獲得了一些創新性成果。高溫高壓合成法製備樣品的效率高，部分樣品的熱電性能顯著提高。拓撲絕緣體的邊界或表面總是存在導電的邊緣態，這是它有別於普通絕緣體的最獨特的性質。這樣的導電邊緣態在時間反演對稱性的保護下是穩定存在的，而且不同自旋的導電電子的運動方向是相反的，所以信息的傳遞可以通過電子的自旋來傳遞。發現了一種高居里溫度的半導體，具有潛在套用前景，需要深入研究其物理機理。