近日，上海硅酸鹽所研究員史迅、陳立東與副研究員仇鵬飛，以及上海交通大學副教授魏天然等合作，開發(fā)出n型Ag20S7Te3和p型(Ag0.2Cu0.8)2S0.7Se0.3高性能無機塑性熱電化合物，并利用其室溫優(yōu)異的變形能力制備出可與曲面熱源緊密貼合的環(huán)形熱電器件。相關(guān)研究成果分別以Ductile Ag20S7Te3 with Excellent Shape-Conformability and High Thermoelectric Performance和p-Type Plastic Inorganic Thermoelectric Materials為題，發(fā)表在Advanced Materials和Advanced Energy Materials上。
Ag20S7Te3化合物與Ag2S的中溫相結(jié)構(gòu)相似，均為體心立方結(jié)構(gòu)。室溫下Ag20S7Te3具有比Ag2S更優(yōu)異的變形能力，可與環(huán)形、四方形、甚至螺母表面形成緊密貼合。第一性原理計算結(jié)果表明，立方結(jié)構(gòu)的Ag20S7Te3具有比單斜結(jié)構(gòu)的Ag2S更低的不穩(wěn)定層錯能和更高的解理能，這是室溫下Ag20S7Te3變形能力優(yōu)于Ag2S的原因。Ag20S7Te3適中的禁帶寬度(0.29eV)和高的載流子遷移率(470 cm2 V-1s-1)導致其具有較高的功率因子。同時，Ag20S7Te3晶格熱導率在0.2-0.4 Wm-1K-1之間，其極低的晶格熱導率來自于晶體結(jié)構(gòu)中可遷移的Ag離子和無序分布的S/Te原子對聲子的強烈散射。在600K時，Ag20S7Te3熱電優(yōu)值為0.8，與區(qū)熔法制備的n型商用Bi2Te3基合金相當。研究團隊將彎曲后的n型Ag20S7Te3和p型Pt-Rh線構(gòu)成環(huán)形熱電器件，在70 K溫差下，該原型器件開路電壓為69.2 mV，最大輸出功率為17.1 μW。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials上，上海硅酸鹽所博士研究生楊世琪為論文第一作者。
該研究團隊進一步選取n型Ag2S0.7Se0.3材料，在Ag位固溶Cu，將n型導電行為改變成p型導電行為。當Cu的成分在0.7-0.8區(qū)間時，材料兼具塑性和p型導電行為。p型材料在室溫具有優(yōu)異變形能力，其三點彎曲應(yīng)變達10%，壓縮應(yīng)變大于30%。第一性原理計算表明，(Ag0.2Cu0.8)2S0.7Se0.3具有與Ag2S0.7Se0.3相當?shù)母呓饫砟?不穩(wěn)定層錯能比值，這是其室溫具有大變形能力的原因。同時，隨Cu含量的增加，材料的主要缺陷類型由Ag間隙離子(施主缺陷)轉(zhuǎn)變?yōu)镃u空位(受主缺陷)，導致材料導電類型由n型轉(zhuǎn)變?yōu)閜型。通過進一步成分優(yōu)化，在800K時Cu缺位的p型(Ag0.2Cu0.8)2S0.7Se0.3熱電優(yōu)值達0.95。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Energy Materials上，上海硅酸鹽所博士生高治強和楊青雨為論文共同第一作者。
研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、中科院、上海市青年科技啟明星計劃等的支持。
圖1.（a）不同形狀的 n型Ag20S7Te3無機塑性熱電化合物及其熱電優(yōu)值；（b）與曲面熱源具有良好結(jié)合的Ag20S7Te3基環(huán)形熱電器件及其輸出性能
圖2.（a）(Ag1-xCux)2S0.7Se0.3澤貝克系數(shù)和力學性能隨Cu含量的變化；（b）不同形狀的p型(Ag0.2Cu0.8)2S0.7Se0.3無機塑性熱電化合物
