陈赟斐 魏锋 王赫 赵未昀† 邓元2)‡

1) (北京航空航天大学杭州创新研究院, 杭州 310052)

2) (北京航空航天大学, 前沿科学技术创新研究院, 北京 100083)

(2021 年6 月8 日收到; 2021 年7 月2 日收到修改稿)

1 引 言

热电材料可以将热能直接转换为电能, 因此在能源领域有重要应用潜力, 并吸引了大量科学研究. 基于热电材料的热电器件可利用太阳热能、体热、地热、废热等以热能形式存在的能量发电[1-4],而其能量转换性能通常可用无量纲的热电优值ZT表征,

式中,S为Seebeck 系数,σ为电导率,T为绝对温度,κ为热导率. 因此, 通常提升热电材料性能的手段主要分为两种, 即提升功率因子 PF=S2σ或降低热导率κ.

近年来, 研究人员在发展与优化如SnTe, Bi2Te3,PbTe 等各种热电材料中取得了大量进展[5]. 这些热电材料中室温性能最佳的多为Bi2Te3基合金,此类合金材料也是现有热电发电、制冷器件中的主流材料. 例如P 型Bi0.5Sb1.5Te3可拥有高达40 µW/(cm·K2)的功率因子, 而N 型Bi2Te3–xSex材料功率因子也可达到30 µW/(cm·K2)以上[6-9]. 然而随着微型发电器件市场的增长, 基于块材热电材料的器件在小型化方面遇到了严峻挑战[3,10]. 块状热电材料一般厚度较大, 难以应用于微型或柔性电子、热电器件, 为克服这一困难, 许多研究者转而发展Bi2Te3基薄膜热电材料, 推动了这一领域的发展壮大. 提升薄膜热电材料性能的关键在于优化合金组分与微观结构. 一方面, 合理的合金元素组分可用于调控载流子浓度和电子能带结构, 从而提升材料Seebeck 系数[11]; 另一方面, 由于Bi2Te3基材料的各向异性, 沿特定取向生……