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[材料资讯] 赵新兵课题组: 异价合金化诱发的多尺度缺陷改善Mg2Sn热电材料性能

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发表于 2019-7-26 09:37:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

Mg2Sn基固溶体由于其优异的热电性能和环境友好的元素组成,在温差发电领域具有独特的竞争优势。对于该种材料而言,进一步提升其热电性能的关键,在于如何有效地降低其晶格热导率。以前的研究表明,少量的Sb元素(< 2%)在Mg2Si中起到施主掺杂、调节体系载流子浓度的作用,而大剂量Sb元素的加入,由于电价平衡需要,则能诱发Mg空位(降低电子浓度)及高密度位错,对声子输运产生了额外的散射,从而实现材料晶格热导率的大幅度降低。然而,Mg2Si类似物中Sb的合金化所产生的多尺度缺陷对电性能的恶化亦不容忽视,以至于整体热电性能并未得到有效提升。但异价合金化这一改性手段在其它同类材料(如Mg2Ge, Mg2Sn等)中又会有何种表现,亦值得研究探讨。

异价合金

异价合金

近日,浙江大学材料科学与工程学院的赵新兵朱铁军教授课题组和新加坡国立大学材料科学与工程系的Stephen J. Pennycook教授课题组合作发表了题为“Multiscale Defects as Strong Phonon Scatters to Enhance Thermoelectric Performance in Mg2Sn1-xSbx Solid Solutions”的文章。本文将他们Sb合金化Mg2Si的前期研究延伸至Sb合金化Mg2Sn中。结果表明,大剂量Sb取代Sn位的Mg2Sn1-xSbx体系同样具有极低的晶格热导率:Sb含量为30%的试样,其室温晶格热导率较Sb含量2%的样品低73%之多。由于Sn和Sb原子尺度类似,质量接近,这样大的晶格热导率下降难以用合金化产生的质量波动和应力应变波动来解释。多种微结构表征手段结合声子输运模型的深入分析则表明,与Sb合金化Mg2Si材料中的情况不同,Mg2Sn1-xSbx低的晶格热导率是源于Sb元素异价合金化所诱发的镁空位及大量的间隙团簇等多尺度缺陷。另一方面,针对该材料电性能的分析表明,这些多尺度缺陷对材料载流子迁移率的影响相对较小。因此,Sb合金化Mg2Sn材料的zT值相比其掺杂成分实现了50%的提高,在750 K达到0.9,接近Mg2(Si,Sn)固溶体的性能水平,但成分更简单。该研究扩充了对材料中异价合金化所诱发的复杂多尺度缺陷及其对材料热电性能影响的认识,并为其它材料的热电性能研究提供了有意义的借鉴。

相关论文以“Multiscale Defects as Strong Phonon Scatters to Enhance Thermoelectric Performance in Mg2Sn1-xSbx Solid Solutions”为题在线发表在Small Methods上(DOI: 10.1002/smtd.201900412)。本工作得到国家重点研发计划,国家杰出青年科学基金,国家自然科学基金以及硅材料国家重点实验室的资助。

赵新兵,教授,浙江大学。1982年7月本科毕业于浙江大学金属材料工程专业(工学学士),1985年7月浙江大学金属材料专业硕士研究生毕业(工学硕士)后留校任教,1986年2月考取本校金属材料专业在职博士研究生,1987年8月至1990年7月作为中德联合培养博士研究生在德国亚琛工大金属学与金属物理研究所学习。1990年12月获浙江大学工学博士学位。1992年晋升副教授,1995年晋升教授,1996年起任博士生导师。1993年起任浙江大学材料科学与工程学系副系主任,1999年起任浙江大学材料与化学工程学院副院长兼材料系系主任。

朱铁军,博士,现为浙江大学材料系教授。主要从事热电能源转换材料与器件等方面的研究。1992年考入浙江大学材料系,2001年获浙江大学博士学位后赴新加坡-麻省理工联盟(Singapore-MIT Alliance)做博士后研究。2004年5月回国,聘为浙江大学材料系副教授,2010年12月聘为浙江大学教授,2012年入选教育部“新世纪优秀人才”。2009年获英国皇家工程院(REA)资助赴Cardiff大学进行短期交流访问,2011.9-2012.3美国加州理工学院访问学者。2014年入选浙江省151人才第二层次。曾主持国家“863”高科技计划、国家自然科学基金、教育部博士点基金、浙江省钱江人才计划等科研项目10余项;迄今在Nature Commun., Adv. Funct. Mater, Adv. Energy Mater., Energ. Environm. Sci.等著名国际刊物上发表学术论文200余篇,他引3800余次。获授权发明专利15项。在专业国际学术会议上做特邀报告10余次。担任2013年PacRim10(San Diego, USA)热电分会共同主席,ISFM2007国际功能材料会议共同主席。多次担任国际学术会议国际顾问,目前是SCI期刊Functional Materials Letter, Materials Technology的Editorial Advisory Board Member。与美国、英国、丹麦、新加坡等国家的多所著名大学建立了长期合作关系。


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