北京
近室溫?zé)犭姴牧夏軌驅(qū)崿F(xiàn)熱能與電能的直接轉(zhuǎn)換，在深空探測、工業(yè)余熱回收、可穿戴設(shè)備自供能等戰(zhàn)略領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。以碲化鉍為代表的傳統(tǒng)材料面臨資源稀缺、效率瓶頸等挑戰(zhàn)，而鎂基熱電材料——特別是p型α-MgAgSb——因其優(yōu)異的熱電性能、資源豐富和力學(xué)強度，成為最具潛力的替代體系之一。然而，α-MgAgSb的電輸運性能長期不盡如人意，室溫功率因子僅約20 μW cm?1 K?2，遠(yuǎn)低于理論預(yù)期。其根源在于：合成過程中Ag空位濃度受熱力學(xué)固溶度限制難以自然提升，導(dǎo)致載流子濃度偏低（約4×101? cm?3）。傳統(tǒng)化學(xué)摻雜策略在該體系中面臨巨大挑戰(zhàn)，因為弱化學(xué)鍵和異質(zhì)原子極低的固溶度使得有效調(diào)控載流子濃度極為困難。
針對上述難題，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心趙懷周研究員團(tuán)隊提出了一種無需化學(xué)摻雜的“相變自摻雜”效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，α-MgAgSb在高溫下發(fā)生α→β相變，兩相中Ag空位的形成能存在顯著差異。通過在相變溫度附近（593 K）進(jìn)行退火處理，β相中Ag空位的形成能大幅降低，空位濃度得以提升；隨后快速淬火至室溫α相，這些空位被有效“凍結(jié)”并保留下來。這一相變過程中的“組分不可逆”特性，實現(xiàn)了空穴載流子濃度的定向調(diào)控。
基于“相變自摻雜”效應(yīng)，團(tuán)隊成功將α-MgAgSb的空穴濃度從4.5×101? cm?3顯著提升至1.3×102? cm?3，激活了多個價帶能谷，提升了載流子有效質(zhì)量，使室溫功率因子提高約35%，達(dá)到30 μW cm?1 K?2，創(chuàng)下該材料的歷史最高紀(jì)錄。利用優(yōu)化后材料制備的單臂熱電器件，在285 K溫差下實現(xiàn)了10.7%的轉(zhuǎn)換效率和71.1 mW cm?2的最大功率密度。據(jù)悉，這是首次報道基于相變退火工藝、無需化學(xué)摻雜即可有效調(diào)控載流子濃度并提升熱電性能的研究工作。
圖：(a) MgAgSb在593K相變溫度以上退火后冷卻回到300K的晶體結(jié)構(gòu)演變過程。(b) α-MgAgSb的計算能帶二維結(jié)構(gòu)圖，以及退火后測量載流子濃度從n?~4.3×101??cm?3 提升至n?~1.3×102? cm?3，右側(cè)顯示三維極值區(qū)能帶簡并度數(shù)量由8個增加至14個。(c)室溫條件下計算與實驗得到的功率因子及載流子濃度之間的對應(yīng)關(guān)系。(d)近室溫溫差條件下基于α-MgAgSb的不同文獻(xiàn)報道的器件發(fā)電效率和約化功率密度(Pd·L)與同本工作的比較示意圖。
相關(guān)成果以“Boosting the thermoelectric performance of α-MgAgSb through phase-transition-induced self-doping”為題發(fā)表于《Physical Review X》。物理所博士生郭凱煒與華中科技大學(xué)王天宇為共同第一作者，趙懷周研究員、華中科技大學(xué)劉德歡教授、物理所李俊副研究員為共同通訊作者。該工作得到了北京市科技計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院的資助支持。
編輯：LYang
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