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熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料，塞貝克效應(Seebeck effect)和帕爾貼效應(Peltier effect)是熱電能量轉換器和熱電制冷應用的理論依據。基于該技術制備的熱電器件具有系統體積小、無運動部件、無噪聲、無損耗和無污染等優點，在深空探測、固態制冷和精確控溫等領域有重要應用。但由于種種限制，目前的熱電材料ZT值處于1.0左右，熱電轉換效率較低。

近日，中國科學院理化技術研究所低溫材料及應用超導研究中心與清華大學、日本國立材料研究所等研究機構合作，提出了缺陷結構演化調控熱電輸運性能、提升ZT值的研究策略，為實現高性能熱電材料研究提供了新思路。

該研究通過調控制備工藝誘導本征Ge空位進行高維定向演化，在碲化鍺材料中構建了從原子尺度的點缺陷、納米尺度的位錯和電疇到微觀尺度的晶界的多級結構。研究通過DFT計算可知GeTe中的位錯形成能為-38 meV/atom，理論上證實了可以通過Ge空位的調控形成大量的位錯和位錯網絡。這顯著降低了晶格熱導率，實驗得到Bi0.07Ge0.90Te-873的最小晶格熱導率僅0.48 Wm-1K-1，接近于理論最小值。此外，高維缺陷的構建弱化了載流子散射，在不影響Seebeck系數的前提下，提高了Hall遷移率和電導率，實現了電導率與Seebeck系數的解耦，大幅提升了電輸運性能。由于熱導率和電學性能的解耦調控，材料的ZT值達到2.3以上的水平，且在300 K-798 K的溫度段范圍內獲得了1.56的平均ZT值，這是目前已報道的最高值。基于該GeTe基熱電材料制備了單臂熱電器件，獲得了144 mW的功率和1.82 Wcm-2的功率密度，優化修正后的最高轉換效率達到11%。

相關成果Evolution of defect structures leading to high ZT in GeTe-based thermoelectric materials于近日發表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。

參考來源：中國科學院

關鍵詞： 熱電材料 熱電器件 中國科學院