Cu2SnSe3材料体系热电性能调控研究获进展

　　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277μVK^-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。

　　Cu₂SnSe₃(a)和Cu₂SnSe_2.5S_0.5(b)的能带结构；(c)Cu₂SnSe_3-xS_x的态密度；掺In(d)和Sn空位(e)对Cu₂SnSe_2.6875S_0.3125能带结构的影响；(f)Cu₂Sn_1-y-zInySe_2.6875S_0.3125的态密度。　　

　　图2.Cu₂Sn_0.82In_0.18Se_2.7S_0.3样品的TEM微结构表征和GPA应变分析。　　

　　图3.(a)晶格热导率随温度变化图, 其中实心球为实验数据, 实线为理论计算结果；(b)考虑不同声子散射机制时κs随频率变化关系；PF(c)和ZT(d)随热电势变化图，其中点为实验数据，实线为计算结果。

　　图4.858 K时Cu₂SnSe₃的最高ZT值与其它研究结果对比。
研究团队单位：合肥物质科学研究院