強磁場輔助生長對SnSe熱電性能的調控研究

《強磁場輔助生長對SnSe熱電性能的調控研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由黃亞楠擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：強磁場輔助生長對SnSe熱電性能的調控研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃亞楠
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

熱電材料可實現熱能和電能之間的直接轉換，熱電優值ZT通常被用來衡量一種材料熱電性能的好壞，單一塊體材料的ZT值一般都在2.5以下。最近實驗發現SnSe單晶沿特定晶軸方向的ZT值在923K可達2.6左右，是目前為止ZT值最高的單一塊體材料，具有很大的熱電套用潛力。SnSe單晶的高ZT值主要源於極低的晶格熱導率，但其功率因子並不優越。若能找到調控該材料功率因子的有效途徑，它將擁有廣泛的熱電套用前景。本項目擬採用“磁性離子摻雜+強磁場輔助生長”的調控方案，系統研究層狀SnSe材料的結構、磁、電和熱輸運等性質，通過電荷和自旋兩個自由度的協同作用實現對該材料功率因子的有效調控，從而最佳化其熱電性能，同時獲得磁性離子摻雜和強磁場輔助生長對層狀SnSe熱電性能調控的一般規律。結合理論計算，理解SnSe窄帶半導體材料熱電性質的微觀物理機制，希望為相似體系材料的熱電性能最佳化提供數據積累和理論指導。

結題摘要

熱電材料可以實現熱能和電能之間的直接相互轉換，衡量其性能的物理量是熱電優值ZT。實驗發現，SnSe單晶沿特定晶軸方向的ZT值在923K可達2.6左右，具有極高的研究和套用價值。SnSe單晶的高ZT值主要源於極低的晶格熱導率，但其功率因子並不優越，因此有效調控該材料的功率因子和熱電性能，它將擁有廣泛的熱電套用前景。在本項目執行過程中，我們主要從強磁場下各向異性熱電材料的製備條件探索、SnSe熱電性能的內場和外場調控三個方面展開研究。首先，我們在強磁場下製備了層狀鈷基氧化物Bi2Sr2Co2Oy多晶樣品，研究了強磁場輔助生長對材料形貌、結構和性能的影響，實現了強磁場對材料熱電性能的有效調控，為強磁場下SnSe材料的合成製備奠定了基礎。其次，系統研究了製備條件最佳化（原料純度、高溫熱電測試條件、氧化行為、高能球磨）、元素摻雜效應（磁性元素Mn、Co、Cd和鹼金屬元素Li、Na、K）、兩相複合效應（Bi0.89Sb0.11和Ti3C2Tx）、Sn含量調控等對SnSe多晶晶體結構、電/熱輸運等物性的影響，通過內場調控實現對SnSe多晶材料熱電性能的有效調控。另外，在強磁場下製備了SnSe母體及其In或Sb摻雜的單晶樣品，發現強磁場下SnSe單晶生長可以大幅度提高材料的導電性。通過本項目的研究，證實了在SnSe材料中通過磁性離子摻雜和強磁場輔助生長進行熱電性能調控的可行性，通過多種實驗手段實現了對其熱電性能的有效調控，加深了對SnSe窄帶半導體材料熱電性質的理解，同時也為相似體系材料的熱電性能最佳化提供了數據積累。在該項目的資助下，總計發表SCI論文3篇，其中，1篇Journal of Alloys and Compounds, 1篇Journal of the American Ceramic Society, 1篇Current Applied Physics。