李奕怀, 吴子华, 毛建辉, 王元元, 谢华清

(上海第二工业大学a. 环境与材料工程学院;b. 资源循环科学与工程中心,上海201209)

0 前言

热电材料是一种利用泽贝克(Seebeck)效应将热能直接转化为电能的材料。通常根据无量纲热电优值ZT = S2σT/κ 判断材料的热电性能, 其中S、σ、κ 分别为泽贝克系数, 电导率和热导率。材料的ZT 值越大,热电器件的转换效率越高。当ZT达到2 以上,其转换效率可与传统热机效率相媲美。因此,如何提高材料的ZT 值成为热电材料研究的核心工作。理想的热电材料必须具备高的功率因子(PF =S2σ)以及低的热导率,但是S、σ、κ 之间的强耦合作用很难通过简单地改变其中一个参数来提升其热电性能。目前主要采用能带工程, 调制载流子或者微纳米结构等方法降低其晶格热导率从而提升热电材料的热电性能,也取得了很大进展[1-3]。

IV-VI 族化合物是一类具有结构对称, 性能优异的热电材料。PbTe 是IV-VI 族中研究最多、最早的热电材料之一,采用纳米化和掺杂的方式,其ZT值在923 K 时已达到2.3[2,4-5]。通过对PbSe 能带构建和纳米化等多种方法, 其ZT 值也可以达到1.0左右[6]。虽然PbTe 和PbSe 的热电性能得到了很大提升,但地球上Te 和Se 元素存储量低、价格昂贵,不适合大规模的工业化应用。相较而言,S 元素在地球上储存丰富,价格低廉,PbS 系列热电材料也引起众多研究人员的兴趣[7-9]。

PbS 与PbTe、PbSe 材料在晶体和能带结构方面具有许多共同的特征,也可通过纳米结构或声子工程降低热导率来改善PbS 热电材料性能。Usanmaz等[10]利用高通量从头计算法和第一性热动力学模型计算发现硫属化合物(如PbS–PbSe、PbSe–PbTe、PbS–PbTe) 纳米化后具有低热导率特性。……