材料科學(xué)與工程學(xué)院郭鑫副教授課題組在陶瓷熱電材料的超高壓結(jié)構(gòu)修飾及性能優(yōu)化方面取得突破性進(jìn)展
近日，我校材料科學(xué)與工程學(xué)院郭鑫副教授課題組在BiCuSeO陶瓷熱電材料的超高壓結(jié)構(gòu)修飾及性能優(yōu)化方面取得突破性進(jìn)展，相關(guān)成果在國(guó)際頂級(jí)期刊《Adv. Energy Mater.》（《先進(jìn)能源材料》，中科院一區(qū)，IF=27.8）上發(fā)表題為“BiCuSeO陶瓷熱電材料的超高壓結(jié)構(gòu)修飾及卓越性能”的研究性論文。材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生音展翔、張鶴為共同第一作者，郭鑫副教授為論文通訊作者，長(zhǎng)春理工大學(xué)為第一完成單位。
陶瓷氧化物作為中高溫區(qū)熱電材料在溫差發(fā)電領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，其中BiCuSeO基陶瓷由于獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)出較低的熱導(dǎo)率，被認(rèn)為是一種潛在的高性能熱電材料。通過(guò)引入致密位錯(cuò)大幅降低晶格熱導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)熱電性能的顯著提高，已經(jīng)在許多傳統(tǒng)合金或金屬間熱電材料中得到證實(shí)。然而，由于陶瓷氧化物中較強(qiáng)的共價(jià)鍵和離子鍵，相比于傳統(tǒng)合金熱電材料，通過(guò)常規(guī)方法在陶瓷氧化物中引入高密度位錯(cuò)仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
該研究基于超高壓在物理水平上對(duì)微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控的優(yōu)勢(shì)，在研究BiCuSeO基陶瓷的結(jié)構(gòu)及熱電性能的過(guò)程中，引入了壓力維度進(jìn)行缺陷結(jié)構(gòu)及性能的研究。由于BiCuSeO基陶瓷制備過(guò)程中超高壓力（~GPa）的引入，在陶瓷氧化物的微結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了高密度位錯(cuò)（~9.1×1016 m-2）的突破，揭示了超高壓力下位錯(cuò)的成核和增殖機(jī)制。由于高致密位錯(cuò)的產(chǎn)生，BiCuSeO基陶瓷獲得了極低的晶格熱導(dǎo)率（0.13 Wm-1K-1）。同時(shí)，通過(guò)Debye-Callaway模型很好地?cái)M合了實(shí)驗(yàn)值，從而佐證了高密度位錯(cuò)的形成及其對(duì)晶格熱導(dǎo)率的降低作用。得益于超高壓引入的致密位錯(cuò)，BiCuSeO基陶瓷的熱電性能（zT）達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.69，成為目前已報(bào)道的氧化物材料中最高的熱電性能。利用最優(yōu)樣品的熱電性能模擬了單臂熱電模塊在不同溫差的能量轉(zhuǎn)換效率，結(jié)果顯示溫差在500K時(shí)最高轉(zhuǎn)換效率可達(dá)12%，高于已報(bào)道單臂熱電模塊的理論和實(shí)驗(yàn)值。此研究證明，超高壓技術(shù)是一種有效引入高密度位錯(cuò)的物理手段，通過(guò)熱力學(xué)的另一個(gè)維度（壓力）克服了傳統(tǒng)方法對(duì)陶瓷中位錯(cuò)調(diào)控的困難，為包括熱電材料在內(nèi)的功能性材料的性能優(yōu)化提供了新策略。
（供稿：材料科學(xué)與工程學(xué)院 撰稿：郭鑫 初審：段潛 復(fù)審：周南 終審：于英煥）
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