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材料系刘玮书课题组在室温热电材料领域取得新进展

发布日期:2018-12-07 09:50:00

近日,我系副教授刘玮书课题组在室温热电材料领域取得了新进展,研究成果以“Mg3+δSbxBi2-x Family: A Promising Substitute for the State-of-the-Art n-Type Thermoelectric Materials near Room Temperature”为题发表在国际顶级学术期刊Advanced Functional Materials,文章被选为下一期的Inside Front Cover。


刘玮书和学生讨论问题

        据了解,热电材料是一种可以直接实现热能与电能相互转换的新能源材料。基于该技术研制的热电发电或者制冷装置,具有结构简单、经久耐用、无噪声、无污染等优点,因此,在深空及深海探测中的放射性同位素电池中有重要应用。在本世纪初,由于环境和能源问题的焦虑,热电转换技术被认为有望解决大规模低品位废热的重要技术,因此,中高温热电材料成为人们追逐的热点,图1是近年来发现的部分新型热电材料。

图1 自上世纪中叶至今被发现的各种新材料

        与中高温热电材料相比,新型室温热电材料的研究进展较为缓慢。经典的碲化铋基热电材料自上世纪60年代被发现以来,一直被工业界沿用至今。虽然力学性能不佳,并且  含有元素丰度极低的元素Te,但一直没有可替代的材料。室温热电材料与器件在精密电子元器件和光通讯元器件的热管理有重要应用。

        随着物联网技术的快速发展,室温热电材料与器件还在利用环境温差为物联网传感器件提供电能方面有重要应用前景。2014年,P型MgAgSb被发现在室温附近具有优异的热电性能,但该材料含有贵金属Ag,在室温附近的大规模应用仍会受到限制。

        此次刘玮书课题组所报道的这种以MgSbBi为主要元素 N型热电新材料,在50-250℃的温度范围内具有和碲化铋基相当的热电性能和更好的力学韧性(3倍的KIC)(如图2所示),而元素价格仅为传统N碲化铋材料的1/4,因此有望取代传统N型室温热电材料,这是热电材料领域的重要突破。


图2 新型的N型Mg3+δ SbxBi2-x室温热电材料.
(a)室温热点器件;(b-d) 热电性能;(e-f) 力学性能

        该研究工作融合了能带结构工程调控材料的禁带宽度和Mn掺杂抑制材料的本征镁空位缺陷的技术策略,从而实现了该材料室温热电性能的突破。这项研究对于未来继续寻找更为性能优异的室温热电材料有很重要的指导意义。

        此外,值得一提的是高性能的室温热电材料被列为2018年国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”之一。因此,新型的室温热电材料将成为下一个热电材料领域的热点。

        该研究工作是刘玮书自2016年底加入南科大以后,在我校独立开展的研究工作,课题组科研助理舒瑞为第一作者,刘玮书为通讯作者,物理系助理教授黄丽为共同通讯作者,材料系副教授谷猛,物理系教授张文清,高能所副研究员徐伟,北京航材院高级工程师刘勇,上海同步辐射副研究员王宇等作者也对该相研究工作有重要贡献。

        该研究得到了南科大和深圳市的启动配套经费,以及科技部重点专项, 国家自然科学基金,以及广东省珠江人才计划等项目的支持。

        关于这项研究,刘玮书也分享了他的一些切身感受:

        “南方科技大学为前沿的交叉研究提供了很好的平台,让科学家们能够共同探索有趣的物质世界,开发出有用的新材料。同时也特别感谢学校能够给年轻人足够的时间去开拓新方向。

        相关研究工作从想法,到实验验证,理论分析,投稿,到接收,差不多有一年半的时间,初次投稿时,审稿人还要求重复实验保证数据的可靠性。由于第一作者已经去欧洲读书,我不得不让课题组的学生用了1个多月的时间重复实验。

        科研的道路曲折,但也有惊喜。我们进行第二次投稿后,等了不到1个月的时间便收到编辑的来信,稿子被直接接受无需再次修改,我们的认真态度得到了编辑和同行的认可。我们现在不仅能够进行重复实验,还能够做得更好。”

        文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201807235

        主图元素来源:《Advanced Functional Materials》期刊