能帶非對稱性改造提升熱電性能的研究

《能帶非對稱性改造提升熱電性能的研究》是依託同濟大學，由裴艷中擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：能帶非對稱性改造提升熱電性能的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：裴艷中
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

能帶調控是提升熱電性能的有效手段。據玻爾茲曼電子輸運理論，Seebeck係數由費米能級(EF)上下電子電導率差異決定。本項目提出通過局部改造EF附近能帶結構，提升其上下非對稱性，增大EF上下電子電導率差異、提升Seebeck係數的研究方案。利用稀土或過渡金屬元素摻雜在PbTe中引入局域化f或d電子能級，通過調節摻雜濃度及PbTe固熔體組成調整局域化電子能級與EF之間的位置匹配，研究費米能級附近能帶非對稱性的演變規律、及其對PbTe化合物電輸運性能的作用機制，發展能帶非對稱性的調控技術，明確通過能帶結構非對稱性改造有效提升其熱電性能的材料設計方案。能帶非對稱性改造同時調整了電子數隨能量的分布，可減弱輸運電子間的能量交換，在給定電導率時降低電子熱導率。基於其提升Seebeck係數同時降低電子熱導率的雙重貢獻，本研究有望為通過能帶非對稱性改造提升PbTe及類似化合物熱電性能提供理論和實驗依據。

結題摘要

熱電能源技術將熱能直接轉換為電能，但轉換效率較低是制約該技術大規模套用的主要瓶頸。本項目以熱電材料能帶調控為主要研究內容，主要圍繞PbTe基及IV-VI族材料取得成果有：發展了固溶和摻雜調控能帶的技術，研究能帶結構對PbTe基化合物電學性能的影響，建立了能帶與電輸運性能的定量模型，明確了有利於提升熱電性能的能帶非對稱性調控原則，獲得了熱電性能顯著提升的PbTe基熱電材料，為通過能帶結構調控提升PbTe及類似化合物熱電性能提供理論和實驗依據；協同缺陷維度設計分級散射不同頻率段聲子，多材料體系晶格熱導率降至玻璃態極限，最終獲得了熱電性能顯著提升的PbTe基熱電材料，並指導其它多材料體系熱電性能獲得新突破。依託本項目及同濟大學的支持，申請人以通訊/第一作者身份發表期刊論文42篇，其中IF~10及高影響力的論文26篇，包括Joule(Cell姐妹刊2篇，其中1篇為封面論文)、Nat. Commu.(2篇)、Adv. (Funct., Energ.) Mat. (5篇)等。本項目實現了材料熱電性能的突破，其研究成果為熱電材料研究提供了指導思路與解決方案，為促進熱電技術套用奠定了基礎。