该团队研究人员以近室温区新型热电材料α-MgAgSb为例,通过理论先行开展能带工程设计,并有力推动了相关实验研究进展。由基础电子结构理论可知,共价键结合的半导体中带隙多来自于成键态与反键态的分裂,其价带或导带具有典型的成键态或反键态特征。研究人员通过探索“掺杂元素能级—成键/反键态强度—能带色散”之间的内在关联,为α-MgAgSb多能谷简并设计了多种掺杂方案。这种能带工程设计思路极具操作性,不仅适用于α-MgAgSb,也可为其它热电材料能带调控提供理论指导。该研究工作发表在Adv. Energy Mater. 2017, 1700076。
图1. α-MgAgSb中能带工程示意图
SnTe有望替代PbTe,成为一类环境友好型中温区热电材料。在前期工作中,该团队已通过“价带简并”和“共振能级”两种能带工程机理实现其热电性能优化。他们最近研究发现,SnTe中共振态能级位置和轻/重价带能量差具有良好的匹配性,这预示上述两种机理可在SnTe中协同作用,实现较大温区内热电性能的全面提升。研究人员进一步指出,实现两种机理协同作用的共掺方案是较低浓度的In和适量的Mg、Mn或Cd等元素。实验研究证实了这些理论预测,相关研究工作发表在ACS Energy Lett. 2017, 2: 1203和J. Mater. Chem. C 2017, doi: 10.1039/C7TC02162C,等。
图2. In&Mn共掺SnTe能带工程示意图及实验结果
SnSe是近年来被报道的高性能中温区热电材料,然而其机械性能较差。该团队研究人员自主开发了“水平梯度凝固法”,获得了高质量大尺寸SnSe单晶,相关工作发表在J. Cryst. Growth 2017, 460: 112和J. Alloys Compd. 2017, 712: 857。研究人员同时还制备了SnSe多晶,以克服单晶生长条件苛刻、制备周期较长等缺点,并通过掺杂设计来改善其热电性能。例如PbBr2掺杂获得性能优异的n型SnSe多晶,Ag掺杂获得性能优异的p型SnSe多晶。相关研究工作发表在RSC Adv. 2017, 7: 17906和NPG Asia Mater. 2017,等。
图3. Ag掺杂SnSe织构化多晶的迁移率和ZT值
以上工作获得了国家自然科学基金(11234012,11404350,11404348)、浙江省杰出青年基金(LR16E020001)和宁波市科技创新团队(2014B82004)等项目支持。
(先进制造所 谈小建)
