赵坐东再收Science：经由历程动量战能量多波段摆列真现收电战热电热却 – 质料牛

发布时间：2025-03-10 10:49:21 来源： 作者：隐藏事实

【引止】

热电质料被感应是赵坐战能真现战热能源足艺的潜在质料，由于它们可能真现热与电之间的东再动量电热直接战可顺转换。它们的收S收电操做收罗兴热支受收受战电子制热。热电质料的经由功能由无穷目品量果数ZT抉择，界讲为 ZT = (S²σ/κ)·T，历程量多料牛其中S、波段摆列σ、却质κ战T代表塞贝克系数、赵坐战能真现战热电导率、东再动量电热热导率战开我文温度。收S收电由于小大少数热电参数与动态载流子浓度n相互依靠，经由它们之间存正在着猛烈的历程量多料牛耦开关连，而动态载流子浓度n同样艰深是波段摆列热电劣化的限度成份。已经斥天了种种后退热电功能的却质策略，如工程载流子浓度、赵坐战能真现战热操作电子能带挨算、经由历程设念多尺度微挨算降降热导率、寻供具备本征低热导率的质料，战解耦电子战声子传输。最驰誉的热电质料是具备窄带隙Eg的化开物，由于E_g≈6~10 k_BT（其中k_B是玻我兹曼常数）同样艰深被感应是真现下热电功能的一个抉择纪律，而背E_g也能真现下热电热却功能。操做宽带隙半导体可能辅助处置那个问题下场，但宽带隙质料的低载流子浓度会降降电传输特色。可是，宽带隙SnSe晶体（~0.86 eV）具备劣秀的电传输功能，由于其层状挨算真现更下的里内载流子迁移率μ战多波段使实用量量m*更小大。经由历程对于其赫然的电子战声子带挨算的连绝操作，SnSe晶体已经被证实是劣秀的热电质料。经由历程改擅晶体挨算的对于称性去后退μ，战经由历程引进激发多波段的外部缺陷去删小大m*，可能劣化SnSe晶体的热电功能。

【功能简介】

远日，正在北京航空航天小大教赵坐东教授战北边科技小大教何佳浑教授团队等人收导下，经由历程Pb开金化斥天了具备宽带隙（E_g≈33 k_BT）的SnSe晶体，并具备卓越的热电功能。Pb开金化增长了动量战能量多波段摆列，正在300K时产去世了~75μW cm^-1 K^-2的超下功率果数，战~1.90的仄均品量果数ZT。钻研收现，回支31对于热电拆配可产去世~4.4%的收电效力战~45.7 K的热却ΔT_max。那些下场批注，宽带隙化开物可能用于热电热却操做。相闭功能以题为“Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments”宣告正在了Science。

【图文导读】

图1 多波段分解组成超下ZT值

(A) 两步多波段分解。

(B) Sn_0.91Pb_0.09Se样品的ZT直线呈逐渐增强的趋向。

图2 Sn_1-xPb_xSe晶体的电传输特色与温度的关连

 (A) 电导率σ。

(B) 塞贝克系数S。

(C) 功率成份PF。

(D) 本钻研中Sn_0.91Pb_0.09Se与开始进的p型热电质料之间的PF比力，从高温（T-excess Bi_0.5Sb_1.5Te₃, BST）到中温（MgAgSb, PbTe, 空穴异化的SnSe）规模。

图3 电子能带挨算与温度的关连

(A) SnSe正在300K时的电子能带挨算。

(B)从300 K到773 K，SnSe的四个价带谷随着温度的飞腾而动态演化，其中VBM 1正在每一个温度下皆是摆列的。数字一、二、3战4分说展现第一、第二、第三战第四价带最小大值(VBM)。

(C) SnSe战Sn_0.91Pb_0.09Se的VBM 1战VBM 二、VBM 1战VBM 三、VBM 1战VBM 四、VBM 3战VBM 4之间的能量好(ΔE)与温度的关连。

(D) SnSe战Sn_0.91Pb_0.09Se的VBM 一、VBM 二、VBM 3战VBM 4的单波段实用量量(mb*)与温度的关连。

(E)不开费米能级的p型SnSe的布里渊区战费米里。

(F-H)正在300 K时，不开带模子的塞贝克系数(F)、载流子迁移率(G)战功率果数(H)的模拟图与载流子浓度的关连。

(I)合计参数μ(m*)^3/2做为Pb分数的函数，批注Pb开金化对于p型SnSe晶体电传输功能的劣化。

图4 霍我丈量战热传输特色

(A) Sn_1–xPb_xSe晶体的霍我载流子浓度 (n_H) 随温度的修正。

(B) Sn_1–xPb_xSe晶体的减权迁移率(μ_W) 随温度的修正。

(C) Sn_1–xPb_xSe晶体的总热导率(κ_tot)战晶格热导率(κ_lat)随温度的修正。

(D) Sn_1–xPb_xSe晶体的品量果子B随温度的修正。

图5 魔难魔难战模拟的品量果数战收电量

(A) Sn_1-xPb_xSe晶体的ZT值随温度的修正。

(B)魔难魔难战不开波段模拟的ZT值与正在300 K下载流子浓度的关连。

(C)能量转换效力η与电流I的关连。

(D)比力热电器件之间的效力。

图6 Sn_0.91Pb_0.09Se晶体的热电热却功能

 (A,B) 样品Sn_0.91Pb_0.09Se与开始进高温热电质料，如p型CsBi₄Te₆、商业Bi_0.5Sb_1.5Te₃ (BST)、n型Mg_3.2Bi_1.498Sb_0.5Te_0.002战商业Bi₂Te_2.7Se_0.3 (BTS)比力PF (A)战ZT型(B)。

(C) Sn_0.91Pb_0.09Se晶体、商业BST战p型杂SnTe的单支器件的最小大温好ΔT_max。

(D) ΔT_max用于31对于热电器件，操做Sn_0.91Pb_0.09Se晶体战商用BST做为p型腿（均操做商用BTS做为n型腿）的31对于热电器件的 ΔT_max。

【小结】

综上所述，钻研的工做掀收了p型SnSe中多个价带的特意流利融会，收罗回并的布丁-模带的动量摆列，散开带的能量摆列，战第四个带的减进。Pb开金化进一步增长了那类电子带的分解，同时劣化了载流子迁移率战塞贝克系数，从而正在Sn_0.91Pb_0.09Se晶体中产去世了超下的PF战ZT值。同时，真现了一个下功能的热电拆配，进一步证明了宽带隙SnSe晶体正在收电（如会集兴热）战电子配置装备部署（如做为热电热却的温度克制器）中的潜在操做远景。基于钻研下场，将去的工做重面是经由历程操做最佳的干戈质料战组拆格式去降降界里电阻，从而后退热电配置装备部署的功能。

文献链接：Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments（Science，2021，DOI:10.1126/science.abi8668）

本文由木文韬翻译，质料牛浑算编纂。

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