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《Advanced Materials》发表唐新峰教授课题组最新研究成果

更新日期:2020-09-07

 
  近日,材料复合新技术国家重点实验室唐新峰教授课题组在高性能半导体热电材料领域的研究工作取得重要进展。研究成果以“Blocking Ion Migration Stabilizes the High Thermoelectric Performance in Cu2Se Composites” 发表在国际著名期刊《Advanced Materials》上。武汉理工大学杨东旺博士、苏贤礼研究员为文章共同第一作者,唐新峰教授为通讯作者,纳微中心吴劲松教授是该项工作的重要参与者。论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003730
  半导体热电转换材料在深空探测、5G通信、物联网自供能系统和手环等可穿戴电子产品领域具有广泛的应用前景。Cu2Se热电材料体系由于具有潜在的高热电性能,一直以来是国际上高度关注的重要热电材料体系,但由于该材料结构的特殊性使材料具有快离子导体特性,铜离子(Cu+)极易迁移,故该材料在制备和服役条件下极其不稳定。从上个世纪五十年代开始,美国JPL实验室和3M公司等机构一直在致力于解决该材料的稳定性问题,但并未取得突破。



  唐新峰教授课题组与美国西北大学、华盛顿大学、密歇根大学相关学者合作,通过六年多的深入研究,在大幅度提高该材料的稳定性和热电性能方面取得重要突破。他们采用其发展的半导体热电材料自蔓延高温合成原位复合技术,快速制备出具有特殊界面结构的Cu2Se/BiCuSeO复合材料,BiCuSeO的复合一方面大幅度提高了Cu2Se材料的稳定性,在模拟服役条件下保持很好的稳定服性,同时材料的热电性能优值ZT达到2.7,为国际上报道的最好水平。
  通过原位电镜观测和理论计算,揭示了Cu2Se/BiCuSeO复合体系中“离子-电子-声子”相互作用关系和规律,阐明了BiCuSeO复合提高Cu2Se稳定性和热电性能的物理机制。一方面,Cu+修饰的Cu2Se-BiCuSeO肖特基异质界面具有离子电容特性,在服役环境的直流电作用下,Cu+将在异质结处累积,从而调节空间电荷区形成双电层结构,阻碍Cu+的长程迁移,极大地降低材料的离子电导率。与此同时,异质界面将阻碍电子从BiCuSeO向Cu2Se基体中转移,从而抑制Cu2Se基体中Cu+被还原成Cu金属单质而析出。另一方面,在复合材料的原位制备过程中,Cu空位会在Cu2Se基体及BiCuSeO第二相中发生内扩散,进而调节基体材料中的载流子浓度,使其在很宽的温度及成分范围内均处于最优载流子浓度区间。这种特殊的相界面特征和Cu空位内扩散行为,显著提高了材料的化学稳定性和热电性能,实现了优异热电性能与高化学稳定性同时优化的目标。
  该研究揭示和阐明的 “离子-电子-声子”的相互作用规律和物理机制,为快离子导体热电材料的性能与化学稳定性协同优化提供了重要指导,同时为其它快离子导体材料离子迁移行为的研究提供了重要借鉴。
  唐新峰,武汉理工大学材料学科首席教授、中国热电学会理事长、美国物理学会会士,英国皇家化学学会会士,科技部重点研发计划首席科学家。主要研究方向为:高性能半导体热电材料、新型器件及应用技术。研究工作在Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Physical Review Letters、Journal of the American Chemical Society、Energy & Environmental Science等国内外期刊上发表学术论文230余篇,获授权发明专利70余件,包括4件美国、日本和欧洲发明专利。获国家自然科学二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、教育部技术发明一等奖1项。唐新峰教授指导的博士生中有3人获得国际热电学会授予的Goldsmid Award(该奖在全世界范围内每年只授予1人)。