研究背景

熱電材料的核心使命:實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間的直接、可逆轉(zhuǎn)換。其應(yīng)用場(chǎng)景包括：

發(fā)電:利用工業(yè)廢熱、汽車尾氣廢熱、甚至人體體溫差進(jìn)行發(fā)電（溫差發(fā)電）。

制冷:用于精密儀器冷卻、局部溫控（固態(tài)制冷），具有無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪音、體積小的優(yōu)點(diǎn)。

近日，由北京航空航天大學(xué)趙立東教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合太原科技大學(xué)在熱電材料領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。此次研究拓寬了硒化錫（SnSe）晶體高溫Cmcm相的穩(wěn)定溫度區(qū)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)N型SnSe晶體Cmcm相的晶格對(duì)稱性調(diào)控與“二維聲子/三維電荷"輸運(yùn)特性的顯著優(yōu)化，成功將N型SnSe晶體ZT~3的熱電性能從單個(gè)溫度點(diǎn)擴(kuò)展至250℃的寬溫域范圍（ZTave~3），并獲得了約19.1%的單臂發(fā)電效率，證明了N型SnSe晶體在溫差發(fā)電領(lǐng)域的巨大潛力，為構(gòu)建全SnSe基溫差發(fā)電器件打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

創(chuàng)新性策略:

1.熱電發(fā)電需要在寬溫度范圍內(nèi)具有高無(wú)量綱優(yōu)值ZT。二維聲子和三維電荷輸運(yùn)使得n型-Pnma錫硒化物（SnSe）晶體在748開(kāi)爾文時(shí)展現(xiàn)出約3.0的ZT峰值。本研究聚焦于高對(duì)稱性Cmcm相，以增強(qiáng)二維聲子和三維電荷輸運(yùn)，并擴(kuò)展高性能（ZT~3.0）平臺(tái)。通過(guò)同時(shí)拓寬Cmcm相穩(wěn)定窗口并通過(guò)鉛合金化增強(qiáng)晶格對(duì)稱性，我們將高性能從單一溫度點(diǎn)擴(kuò)展到約250開(kāi)爾文的寬溫度范圍，該范圍在氯摻雜形成的類巖鹽Cmcm SnSe晶體中呈現(xiàn)n型特性。在673至923開(kāi)爾文之間實(shí)現(xiàn)了約3.0的平均ZT，溫度差約572開(kāi)爾文時(shí)的轉(zhuǎn)換效率約為19.1%。

2.“晶格對(duì)稱性工程":通過(guò)高濃度Pb合金化（23%），不僅降低了相變溫度，更重要的是改變了Cmcm相的局部晶格對(duì)稱性，使其更接近對(duì)稱性更高的“類巖鹽結(jié)構(gòu)"。

3.協(xié)同優(yōu)化機(jī)理創(chuàng)新性應(yīng)對(duì)策略低了形變勢(shì)，削弱了聲子對(duì)載流子的散射，從而在載流子濃度大幅提升的情況下，依然維持甚至提高了高溫遷移率（解決了高溫散射強(qiáng)的痛點(diǎn)）。同時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)被調(diào)控，提升了態(tài)密度有效質(zhì)量，補(bǔ)償了因載流子增加導(dǎo)致的塞貝克系數(shù)下降。熱學(xué)上：Pb合金化引起鍵的軟化，進(jìn)一步降低了晶格熱導(dǎo)率。

4.革命性成果:最終，在Sn0.77Pb0.23Se0.95Cl0.05材料中，將平均ZT ~3.0的優(yōu)異性能平臺(tái)從673K延伸至923K，跨度達(dá)250K，并實(shí)現(xiàn)了19.1%的超高轉(zhuǎn)換效率。

材料性能表征

圖片描述:通過(guò)增強(qiáng)二維聲子和三維電荷傳輸，Cmcm SnSe晶體在寬溫度范圍內(nèi)具有高熱電性能。

圖片描述:673至923K溫度范圍內(nèi)SnSe0.95Cl0.05與Sn0.77Pb0.23Se0.95Cl0.05沿面外方向的電輸運(yùn)特性及能帶結(jié)構(gòu)。

材料XRD表征

圖片描述:SnSe1-xClx的粉末X射線衍射圖譜

圖片描述:粉末樣品的X射線衍射結(jié)果(A) Sn1-xPbxSe0.95Cl0.05的粉末X射線衍射圖譜(B) Sn1-xPbxSe0.95Cl0.05的計(jì)算晶格參數(shù)

賦能科研創(chuàng)新

此次FRINGE系列X射線衍射儀參與到《Science》級(jí)研究成果的誕生，不僅印證了浪聲科學(xué)在分析儀器領(lǐng)域的技術(shù)實(shí)力，更標(biāo)志著中國(guó)自主研發(fā)的科學(xué)儀器已達(dá)到國(guó)際較高水平。從晶體結(jié)構(gòu)解析到物相定量分析的全流程中，浪聲科學(xué)XRD憑借其穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度，成為了科學(xué)家探索未知、產(chǎn)出成果的得力助手。