新型无机非金属材料研究

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中科院上海新型无机非金属材料研究所研究员史迅、陈立东、张文清、许钫钫与美国加州理工大学等机构的学者合作，提出在固态无机非金属材料中引入具有局域“液态”特征的离子来降低热导率和优化热电性能，突破晶格热导率在固态玻璃或晶态材料上的限制。相关成果日前发表于《自然—材料学》杂志，并申请中国发明专利。审稿人对该文给予高度评价，认为其拓展了已有的“声子玻璃—电子晶体”概念至“声子液体—电子晶体”，为热电材料的研究方向提供了新的可能性。

史迅介绍说，热电转换技术利用半导体材料的塞贝克（Seebeck）效应和帕尔贴（Peltier）效应实现热能与电能直接相互转化，在工业余热和汽车尾气废热发电等领域具有重要而广泛的应用。热电技术的能量转换效率主要取决于材料的本征物理特性，通常可由热电优值来衡量，而热电优值取决于不锈钢材料的Seebeck系数、电导率、热导率和绝对温度。
传统的高性能热电能量转换材料为固体晶态化合物。近年来，以方钴矿和笼合物材料为典型代表的笼状化合物热电性能的优化，以及通过纳米结构降低晶格热导率提升热电性能的研究均取得了显著进展，其热电优值超过1.5。然而，晶态化合物中晶格热导率的降低受制于结构的长程有序性，其最低极限（最小晶格热导率）与完全无序的玻璃态相当，限制了热电性能继续优化的空间。
史迅等人发现了一类具有“声子液体—电子晶体”特征、完全不同于传统晶态热电化合物的新型热电材料体系，拓展了热电材料的设计理念。研究表明，在具有高温反萤石结构的半导体硒化二铜化合物中，硒原子可形成相对稳定的面心立方亚晶格网络结构，而铜离子则无序分布在硒亚晶格网络的间隙位置进行自由迁移。硒亚晶格提供了良好的电输运通道，具有“液态”特征的可自由迁移铜离子不但可强烈散射晶格声子来降低声子平均自由程，而且由于消减了部分剪切方向晶格振动横波模式而降低了材料的晶格热容，突破了晶态和玻璃态材料的晶格声子热振动与输运限制。
初步结果表明，硒化二铜显示了优良的热电性能，其热电优值可超过1.5，与目前发现的高性能晶态热电材料相当，并有望通过优化掺杂等手段进一步提升。同时，该研究工作提出的“声子液体”概念可以很好地解释许多含铜和银离子的半导体材料中发现的电热输运行为及其规律，为新热电化合物的探索以及传统热电材料性能的进一步优化提供了新的方向和途径。