它,，注熱電測量技術(shù)，助力用戶再發(fā)Science,！

時(shí)間：2022-8-16閱讀：872

導(dǎo)讀：當(dāng)今,，化石能源短缺和環(huán)境污染問題凸顯,，能源的多元化和高效多用成為解決能源與環(huán)境問題的個(gè)重要途徑。作為種綠色能源技術(shù)和環(huán)保型制冷技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是用材料的塞貝克效應(yīng)與帕爾貼效應(yīng)將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的技術(shù),，包括熱電發(fā)電和熱電制冷。這種技術(shù)具有系統(tǒng)體積小,、可靠性高,、不排放污染物、適用溫度范圍廣等點(diǎn),。熱電器件可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換,，在廢熱回收和固態(tài)制冷域具有重要的研究價(jià)值，對熱電發(fā)電器件的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行準(zhǔn)確測量是評價(jià)熱電材料和器件性能的重要基礎(chǔ),。

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是項(xiàng)基于半導(dǎo)體材料的新能源技術(shù),。基于材料的塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng),，該項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)溫差發(fā)電和通電制冷的效果,，其分別在工業(yè)廢熱回收用和電子制冷域有著重要的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換技術(shù),，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)具有器件尺寸高度可控,、可靠性高、無運(yùn)動部件,、無污染和無噪音等勢,。溫差發(fā)電可應(yīng)用于深空探測中的放射性同位素溫差發(fā)電電源，如“好奇號”火星探測器,，“旅行者1號”行星探測器都通過使用放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器來發(fā)電,。電子制冷具有無噪聲、無振動,、不需制冷劑,、體積小、重量輕等點(diǎn),，且工作可靠,，操作簡便，易于進(jìn)行冷量調(diào)節(jié),，常用于耗冷量小及空間狹窄的場合,，如電子設(shè)備和無線電通信設(shè)備中重要元件的冷卻，這對于未來通訊,、物聯(lián)網(wǎng),、5G芯片的微型電子器件等域的準(zhǔn)確溫控具有重要意義。

熱電材料性能指標(biāo)的關(guān)鍵在于能源轉(zhuǎn)換效率,，其由材料的無量綱熱電性能值（ZT值）決定,。由ZT值的定義式（ZT = (Sσ/κ)T）可知，在給定溫度T下,，高性能熱電材料應(yīng)具有大的塞貝克系數(shù)S,、高的電導(dǎo)率σ和低的熱導(dǎo)率κ。然而,，這些熱電參數(shù)相互之間具有強(qiáng)烈的耦合關(guān)系,，這使得熱電材料的性能化很有挑戰(zhàn)性，調(diào)控這些強(qiáng)烈耦合的復(fù)雜熱電參數(shù)是提高材料ZT值和熱電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵,。隨著熱電材料域的研究越來越受重視,，不斷涌現(xiàn)出了諸多提升ZT值的有效策略：化載流子濃度以提高電導(dǎo)率；調(diào)整電子能帶結(jié)構(gòu),、晶體結(jié)構(gòu),、相結(jié)構(gòu)等化電傳輸性能；通過引入點(diǎn)缺陷,、位錯(cuò),、晶界、納米沉淀物等進(jìn)行多尺度分層架構(gòu)設(shè)計(jì)以降低熱導(dǎo)率,；探索和開發(fā)具有本征低熱導(dǎo)率性的新材料體系,；通過高通量及基于基因計(jì)算等預(yù)測潛在熱電材料等。

南方科技大學(xué)何佳清團(tuán)隊(duì)將高熵穩(wěn)定的策略用于協(xié)同調(diào)控材料的電,、熱傳輸性能,，并成功應(yīng)用于n型硒化鉛基熱電材料，通過解耦電熱傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)了熱電性能的大幅提升,，相關(guān)成果發(fā)表在《Science》上^[1],。

在近期的工作中，何佳清團(tuán)隊(duì)再進(jìn)步,，將這化策略擴(kuò)展應(yīng)用到p型碲化鍺基（GeTe）熱電材料中,。相關(guān)工作以《High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics》為題發(fā)表于《Science》上^[2]。在由高熵穩(wěn)定獲得的超低晶格熱導(dǎo)率基礎(chǔ)上,，通過調(diào)控電子局域化程度,，避免了無序引入對電子傳輸?shù)挠绊懀瑥亩垢哽仨诨N基材料的電性能得到了顯著提升,。這種電性能和熱性能的協(xié)同化,，很大程度提高了材料的熱電值，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了超高的器件轉(zhuǎn)換效率,，有于高熵穩(wěn)定概念在高性能熱電材料開發(fā)中的應(yīng)用,。

在碲化鍺基材料中鍺原子位置人為地引入多種原子，從而實(shí)現(xiàn)高熵策略。使用原位差分相襯掃描透射電子顯微術(shù)（DPC-STEM）來表征材料中引入多種元素后帶來的電子轉(zhuǎn)移和重排,，發(fā)現(xiàn)在純的碲化鍺材料中,，鍺和碲原子之間的電子存在很強(qiáng)的耦合效應(yīng)，而通過多元素固溶的高熵碲化鍺能夠穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu),，鍺原子會從菱形的偏離中心位置向幾何中心位置移動,，從而實(shí)現(xiàn)不同原子之間耦合電場的解耦效應(yīng)，在超低晶格熱導(dǎo)率的前提下化了材料的電性能,，從而提高了材料的熱電值（zT）^[3],。

圖1. 碲化鍺基熱電材料（Ge_0.61Ag_0.11Sb_0.13Pb_0.12Bi_0.01Te）的電導(dǎo)率（A）、塞貝克系數(shù)（B）,、功率因子PF（C）,、熱導(dǎo)率（D）、晶格熱導(dǎo)率（E）,、熱電值zT（F）與溫度（T）的關(guān)系

工作中分別使用Ge_0.61Ag_0.11Sb_0.13Pb_0.12Bi_0.01Te以及其他商用材料制作了單及分段器件（TEG）并對其熱電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了測量,，分別高達(dá)10.5%與13.3%。

圖2. (A) Ge_0.61Ag_0.11Sb_0.13Pb_0.12Bi_0.01Te的zT值與溫度（T）的關(guān)系（以及與其他工作的比較）(B) 本工作中制成的多個(gè)器件的熱電轉(zhuǎn)換效率與溫差（ΔT）的關(guān)系（以及與其他工作的比較）

本工作中材料的高溫電輸運(yùn)性能（塞貝克系數(shù)S及電導(dǎo)率σ）使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM-3測得,，發(fā)電器件的發(fā)電量及熱電轉(zhuǎn)換效率使用日本Advance Riko公司生產(chǎn)的熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM-2測得,。

日本Advance Riko公司已業(yè)從事“熱”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)近60年，并直走在相關(guān)域的前端,，為世界各地的科學(xué)研究及生產(chǎn)活動提供了諸如紅外加熱,、熱分析/熱常數(shù)測量等系統(tǒng)。2018年初,，Quantum Design 中國公司將日本Advance Riko公司的進(jìn)熱電材料測試設(shè)備：小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM,、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM及大氣環(huán)境下熱電材料性能評估系統(tǒng)F-PEM引進(jìn)中國,。

2018年7月,，Quantum Design中國與日本Advance Riko達(dá)成協(xié)議，作為其熱電材料測試設(shè)備在中國的代理商繼續(xù)合作,，攜手將日本Advance Riko進(jìn)的熱電相關(guān)設(shè)備介紹到中國,。

目前，所有中國用戶購買的日本Advance Riko熱電產(chǎn)品,，均由Quantum Design中國公司的工程師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)安裝及售后服務(wù),。同時(shí)，Quantum Design 中國公司在日本Advance Riko公司的協(xié)助下,，在北京建立部分熱電設(shè)備示范實(shí)驗(yàn)室和用戶服務(wù)中心,，更好的為中國熱電技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] B. Jiang et al., High-entropy-stabilized chalcogenides with high thermoelectric performance, Science 371, 830–834 (2021)

[2] B. Jiang et al., High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics, Science 377, 208–213 (2022)

[3] 南科大何佳清團(tuán)隊(duì)在Science發(fā)表高熵?zé)犭姴牧涎芯空撐?，南方科技大學(xué)新聞網(wǎng)

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