近日，我院李拴魁副教授、郭凯教授课题组在低成本复合室温热电材料研究方面取得了新的进展，相关研究成果以“Designing Cost-Performance Porous Thermoelectric Materials by Interface Engineering through Atomic Layer Deposition”为题，发表在材料学Top期刊《Journal of Materials Science & Technology》（中科院一区，影响因子11.2）上，广州大学为第一单位。
图一 引入新型多孔设计提高碲化铋基热电材料的TE性能。（a）多孔热电材料示意图（b）没有ALD界面层（c）引入ALD界面层。（d）利用原子层沉积（ALD）技术在空心玻璃微球表面引入界面层。（e） 本研究与报道的材料质量因子µ（m*/m0）3/2/κlatt（MQF）与文献报道的多孔材料。（f）多孔热电材料的ZT与商用材料的对比。
热电材料是能够实现热能和电能直接相互转化的一类新型能源材料，在温差发电和半导体制冷两方面有重要应用。热电材料的能量转换效率可用无量纲热电优值ZT = S2σT/κ来衡量，其中，S，σ，κ和T分别是材料的Seebeck系数、电导率、热导率和绝对温度。热电半导体行业在全球来说作为一个新兴行业，每年以超过1倍的速度增长，然而现阶段热电材料的产业化应用依然受限于其较低的能量转换效率及高昂的成本。热电材料通常由重金属化合物构成，其价格昂贵，并且原料稀缺，这导致其应用的场景较为狭窄。目前商用的n型Bi2Te3基热电材料的体积密度达到7.8g/cm3,其材料价格约为8.9×105 元/m3，而发电成本2000元/W，这远高于目前天然气、煤炭等常规发电方式的价格。制备高性能、低成本的室温热电材料是该领域急需解决的关键科学之一，这具有极大的科学研究及产业应用价值。
图二多孔Bi0.5Sb1.5Te3复合材料的的结构表征。（a）所制备的Bi0.5Sb1.5Te3/空心玻璃微球复合材料的相对密度。（b）Bi0.5Sb1.5Te3粉末的扫描电镜（SEM）图像 （c）具有不同空心玻璃微球含量的块体材料的照片和用于评估其热电性能的样品。（d） 具有8%空心玻璃微球的复合材料的3D X射线微观成像图片（Micro-XCT）图像（黑色：孔，绿色：固相）。
目前针对高性能的多孔复合热电材料的研究依然较少，主要是需要实现材料成本-热电性能-稳定性之间的平衡。多孔性对于热电材料的热电输运特性主要表现为两个方面：1.对于热传输特性，热导率κtot= D Cp ρ, 其中D为材料的热扩散系数，Cp为比热容，ρ为材料的体积密度。可见随着材料的密度降低，材料的热导率会直线下降。除了材料的体积密度对其热导率的影响，声子在基体/填充物界面的散射也对多孔材料的热导率至关重要。通过精确的界面结构设计及调控，有望进一步有效增加界面热阻，从而降低材料的热导率。2.对于电输运特性而言，降低材料密度会极大的降低电导率，丰富的基体/填充物界面会降低材料的迁移率，从而使电性能将会被恶化。随着材料的孔隙率增加，材料的品质因子明显下降，这导致材料的热电性能下降。
针对上述学术难题，我们在商业化的 Bi0.5Sb1.5Te3 热电材料中引入一些空心玻璃微球作为填充物，同时采用原子层沉积技术（ALD）修饰材料-填充物界面，成功制备了高性能的多孔热电材料。实验结果表明，ALD修饰界面层削弱了孔洞和基体之间界面处的载流子散射，同时保持高强度的声子散射，从而优化了载流子/声子的传输行为，并有效地将 ZT 提高了 23.2%（从 0.99 提高到 1.22，350 K）。此外，我们的策略具有一定的普适性，在n型Bi2Te2.7Se0.3 材料中也得到了验证，因此显示出发展低成本高性能热电材料的巨大潜力。
该工作由广州大学和北京大学深圳研究生院、昆士兰科技大学、中国科学院上海硅酸盐研究所以及昆士兰大学等单位合作完成。广州大学为第一署名单位。相关工作得到国家自然科学基金、广州市教育局材料重点学科等项目的支持。
