黄露露 张建 孔源 李地 辛红星 秦晓英‡

1) (中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所, 能源材料与器件制造研究部, 合肥 230031)

2) (中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 合肥 230026)

3) (首尔大学化学与生物工程学院, 首尔 08826)

4) (中国科学技术大学化学物理系, 合肥物质科学微尺度国家实验室, 量子信息与量子物理协同创新中心, 合肥 230026)

(2021 年6 月21 日收到; 2021 年9 月9 日收到修改稿)

1 引 言

当今, 日益剧增的能源需求使得全球性能源危机问题不得不引起重视, 且环境污染问题也由于传统化石能源的使用(煤炭、石油、天然气等)变得越来越严重[1]. 热电材料在这一背景下迅速吸引了很多研究人员的兴趣, 成为极具吸引力的新型清洁能源材料之一[2-5]. 它可以凭借其载流子和声子的定向输运来实现从废热中收集电能, 同时, 也能可逆地将电能转换为热能[6,7].

通常, 人们用无量纲的ZT值来衡量热电材料性能的优劣, 可以表示为[8]

其中S是Seebeck 系数,T是绝对温度,ρ是电阻率, σ是电导率, κ是热导率,κc是载流子热导率,κL是晶格热导率. 另外, 人们也用功率因子PF ( =S2/ρ)来定义热电材料的电学输运性质. 根据ZT值的公式可以发现, 提升样品热电性能(ZT值)的方式有很多种. 例如, 可以通过优化载流子浓度或优化载流子迁移率增强样品的电导率; 可以通过能带展平、能带简并、能量过滤效应和能级共振等手段提升样品的Seebeck 系数; 也可以通过多尺度声子散射、寻找本征低热导材料等手段抑制材料的晶格热导率……