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近年来,热电技术作为有望解决能源问题的新途径引起广泛关注。热电材料的转化效率由热电优值ZT表示。Cu2SnSe3是一种组成元素廉价、环境友好的新型热电材料,但其ZT值较低,只有约0.2。目前对于Cu2SnSe3热电性能的优化主要是通过Sn位掺杂提高空穴浓度,然而这种掺杂会导致热电势的大幅下降和电子热导率的显著提升, 使得ZT值的提升有限。此外,大多数研究只通过引入一到两种缺陷来降低材料的晶格热导率,很少利用多维缺陷(0维到3维)的引入实现对声子的全频谱散射,进一步降低晶格热导率。
鉴于此,研究人员采取元素替代/空位对其能带结构进行综合调控。研究表明,Se位固溶硫可以有效的增宽带隙和提高价带顶的态密度(图1),使得Cu2SnSe3高温热电势从170提高至277 μVK-1;而Sn位掺In会造成多轻带/能谷参与输运,显著提高了能带简并度和态密度(图1),进而大幅提高该化合物的电导率和热电势。研究还发现,在Sn位重掺In可以诱导形成多维缺陷(如Sn空位、位错、相界/孪晶界和CuInSe2纳米析出相,图2),实现对声子的全频谱散射从而大幅降低晶格热导率 (图3(b))。由此,Cu2SnSe3的最高ZT值在858 K时可达到1.51,是目前本体系报道的最高值 (图4)。
研究工作得到国家自然科学基金的支持,理论计算在中科院超算中心合肥分中心完成。
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