日本丰田工业大学Nat. Commun.: 在金属Cu2Se中发现巨大的塞贝克效应

【引言】

在过去的几十年中，热电材料（TE）因为能够将废热转化为有用的电能，而得到了系统和全面的研究。热电材料的能量转化效率ZT=S²σT/κ，其中S，σ，T和κ分别代表塞贝克系数，电导率，绝对温度和热导率。到目前为止，已经发现和开发了多种热电材料，其中一些具有较高的ZT值，但由于整体性能不足，并不能广泛用于各种应用。

有史以来报导的ZT的最大值是在单晶SnSe₃中发现的ZT=2.6。然而最大ZT所对应的温度为900K，其他方法在这个温度下会具有更高的能量转换效率。在300~400K的中低温范围内，大量的废热被排放到周围环境中，目前还没有任何有效的方法可以产生电能，因此，热电材料的开发十分必要。到目前为止，基于Bi₂Te₃的材料在该温度范围内具有最佳性能，其ZT值高达2.08。然而，这些ZT值仍然存在争议。

所有这些材料都具有非常小的晶格热导率小于1.0W/m/K以及较大的功率因数PF=S²σ，其与适合于热电材料的电子结构和最佳载流子浓度密切相关。S和σ都是与载流子浓度相关的函数：前者随着载流子浓度的减少而增加，而后者随载流子浓度的减少而减少。因此，科研工作者研究了许多材料的最佳载流子浓度，并且实现了几百μV/K的塞贝克系数，几个mΩ cm的电阻率，以及几个mW/m/K²的功率因数。

【成果简介】

近日，日本丰田工业大学发现 “金属”Cu₂Se在340-400 K温度范围内具有巨大的塞贝克系数，其中材料内发生有序-无序结构转变，具有超过2.3W/m/K²的功率因数值。这个数值是在不寻常的温度梯度下观察到的，该温度梯度不仅适用于与塞贝克测量方向平行的方向，同时也适用于垂直的方向。在非常小的晶格热导率（小于1.8W/m/K）的支持下，ZT值超过450。这些巨大的S，PF和ZT值是在低温阶段获得的，这是由于持续高温所引起的自调整载流子浓度的结果。该成果以题为”Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu₂Se”发表在Nat. Commun.上

【图文导读】

Figure1.Cu₂Se的结构分析

(a,b).室温和473K下，同步辐射粉末衍射图案

(c).Cu₂Se在高温和低温下的晶体结构

(d).相分数随温度的变化

Figure2.Cu₂Se的塞贝克系数

(a).塞贝克实验装置

(b).实验所测得的塞贝克系数

(c).热电动势的原始数据

Figure 3.Cu₂Se中塞贝克系数的重现性

图4.Cu₂Se热电性质的温度依赖

(a).电阻率

(b).功率因数

(c).导热率

(d).比热和热扩散率

(e).ZT值

(f).ZT温度依赖性异常行为区域显示两个峰值

(g).ZT温度依赖性中所观察到平台区

图5.简化Cu₂Se的计算电子态密度和塞贝克系数

(a).电子密度

(b).区域放大

(c).计算的塞贝克系数随化学势能的变化

【小结】

在这个工作中，作者发现在同时施加于平行和垂直测量方向的温度梯度下，金属Cu₂Se在发生结构相变的较窄温度范围内（340K-1的较大幅度的σ的金属行为导致S²σ=2.3W/m/K²的巨大值。小于2W/m/K的小热导率导致ZT值超过400。

Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu₂Se

(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07877-5)

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