郭凯教授团队在GeTe基热电材料性能调控方面取得系列进展
2024-05-23 09:22 郭凯  审核人:潘书生


近日,我院郭凯教授课题组在GeTe基材料热电性能调控研究方面取得了新的进展,相关研究成果相继发表在国际权威期刊《Rare Metals》和《Inorganic Chemistry Frontiers》上。

IV-VI化合物GeTe被认为是一种可以替代有毒PbTe的高效中温热电材料,近年来得到热电学家的广泛关注。然而,本征GeTe材料中存在高浓度的Ge空位,导致空穴浓度过高(> 1021 cm-3),极大地限制了其热电性能。

团队在GeTe中的阳离子/阴离子位点加入不同的掺杂剂,有效地提高载流子迁移率的同时,获得超低晶格热导率,成功的优化了GeTe基材料的热电性能。阳离子位的CuBiTe2合金化有效地降低GeTe的载流子浓度,并增大有效质量,实现GeTe的电输运性能优化。此外,Se的加入引入具有质量/应变场波动的高浓度点缺陷,在GeTe中获得超低晶格热导率kL ~ 0.28 W m-1 K-1。最终在CuBiTe2和Se的协同效应下有效的将GeTe的ZTmax提高至1.87。这项工作有助于深入了解各种掺杂剂在GeTe中阳离子/阴离子位置上的作用,为开发高效、环保的中温热电材料铺平了道路。相关研究成果以“Achieving high carrier mobility and low lattice thermal conductivity in GeTe-based alloys by cationic/anionic co-doping”为题发表在期刊《Rare Metals》(中科院一区)上,论文第一作者为广州大学研究生王小强,通讯作者为李拴魁副教授和郭凯教授。

图1. (GeTe)0.95(CuBiTe2)0.05和Ge0.95Cu0.05Bi0.05Te0.9Se0.15ZT

论文链接:https://doi.org/10.1007/s12598-023-02606-4


随后,他们团队通过引入多尺度缺陷以进一步降低GeTe的热导率,其中包括掺杂锑(Sb)和复合纳米级碳化硅(SiC),以提高其热电性能。通过掺杂锑,优化了载流子浓度。同时,引入点缺陷使得短波长声子散射得到加强。利用纳米碳化硅纳米第二相散射中长波声子,进一步抑制了晶格热导率。纳米第二相的引入旨在增强低频声子的散射,而与碳化硅的复合则有助于细化晶粒结构,强化晶界散射,增强对中低频声子的散射效果。最终,在800 K时,lat 约0.4 Wm-1 K-1,比原始GeTe低47%。因此Ge0.92Sb0.08Te + 0.2 wt% SiC 样品在800 K时的zT峰值高达 ~ 1.82,比原始GeTe提高了1.8倍。相关研究成果以“Enhancing Thermoelectric Performance of GeTe through Sb Doping and SiC Nanocomposite for Reduced Thermal Conductivity”为题目发表在期刊《Inorganic Chemistry Frontiers》(中科院一区)上,论文第一作者为广州大学研究生胡孝全,通讯作者为李拴魁副教授和郭凯教授

图2. GeTe中晶格热导率散射机制


论文链接:https://doi.org/10.1039/D4QI00451E

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