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SHMFF用户《材料地平线》发文报道磁性离子掺杂取代宽禁带半导体纳米晶提高热电性能
2013-10-31| 作者:肖翀 | 【 【打印】【关闭】
中国科学技术大学谢毅课题组和强磁场科学中心研究人员利用稳态强磁场实验装置(SHMFF)电子自旋共振测试系统成功揭示:利用磁性离子掺杂和全取代宽禁带半导体量子点来实现相互关联的热电三参数的协同调控。
热电材料是一种能将热能和电能直接转换的功能材料,具有无噪音、无磨损、体积小、重量轻、寿命长、对环境不产生任何污染等特点,在能源利用方面具有独特的优势,因此在能源危机越来越严重的21世纪,热电材料的研究引起了各国研究者的广泛兴趣。
材料热电性能通过热电优值ZT(ZT=σ•S2T/κ)来衡量,而提高热电优值ZT的困难在于热电材料自身的Seebeck系数(S)、电导率(σ)和热导率(κ)不是反比耦合的,这取决于材料的电子结构以及载流子的传输特性,因此电热输运的协同调制一直是一个历史性的难题。
科研人员通过实验和理论研究发现磁性离子的掺杂可以带来自旋熵,减小带隙,加强声子间的非简谐耦合,从而得到高的Seebeck系数,高的电导率以及低的热导率。例如,在700K得到了Ni掺杂的Cu2ZnSnS4量子点的最优ZT值为0.42是同温度下未掺杂的Cu2ZnSnS4量子点ZT值的7.4倍,而Co离子全取代的Cu2CoSnS4纳米晶,在700K的ZT值达到了0.51是Cu2ZnSnS4量子点的10.2倍。有关工作以“磁性离子优化宽禁带半导体纳米晶热电性能(Magnetic ions in wide band gap semiconductor nanocrystals for optimized thermoelectric properties)”为题在线发表于英国皇家化学学会杂志《材料地平线》(Materials Horizons)上。
 
Cu2XSnS4纳米晶热电性质及电热输运系统调控示意图

Cu2ZnSnS4Ni掺杂Cu2ZnSnS4纳米晶变温EPR

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