新型無機非金屬材料研究

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中科院上海新型無機非金屬材料研究所研究員史迅、陳立東、張文清、許鈁鈁與美國加州理工大學等機構的學者合作，提出在固態無機非金屬材料中引入具有局域“液態”特征的離子來降低熱導率和優化熱電性能，突破晶格熱導率在固態玻璃或晶態材料上的限制。相關成果日前發表于《自然—材料學》雜志，并申請中國發明專利。審稿人對該文給予高度評價，認為其拓展了已有的“聲子玻璃—電子晶體”概念至“聲子液體—電子晶體”，為熱電材料的研究方向提供了新的可能性。

史迅介紹說，熱電轉換技術利用半導體材料的塞貝克（Seebeck）效應和帕爾貼（Peltier）效應實現熱能與電能直接相互轉化，在工業余熱和汽車尾氣廢熱發電等領域具有重要而廣泛的應用。熱電技術的能量轉換效率主要取決于材料的本征物理特性，通常可由熱電優值來衡量，而熱電優值取決于不銹鋼材料的Seebeck系數、電導率、熱導率和絕對溫度。
傳統的高性能熱電能量轉換材料為固體晶態化合物。近年來，以方鈷礦和籠合物材料為典型代表的籠狀化合物熱電性能的優化，以及通過納米結構降低晶格熱導率提升熱電性能的研究均取得了顯著進展，其熱電優值超過1.5。然而，晶態化合物中晶格熱導率的降低受制于結構的長程有序性，其最低極限（最小晶格熱導率）與完全無序的玻璃態相當，限制了熱電性能繼續優化的空間。
史迅等人發現了一類具有“聲子液體—電子晶體”特征、完全不同于傳統晶態熱電化合物的新型熱電材料體系，拓展了熱電材料的設計理念。研究表明，在具有高溫反螢石結構的半導體硒化二銅化合物中，硒原子可形成相對穩定的面心立方亞晶格網絡結構，而銅離子則無序分布在硒亞晶格網絡的間隙位置進行自由遷移。硒亞晶格提供了良好的電輸運通道，具有“液態”特征的可自由遷移銅離子不但可強烈散射晶格聲子來降低聲子平均自由程，而且由于消減了部分剪切方向晶格振動橫波模式而降低了材料的晶格熱容，突破了晶態和玻璃態材料的晶格聲子熱振動與輸運限制。
初步結果表明，硒化二銅顯示了優良的熱電性能，其熱電優值可超過1.5，與目前發現的高性能晶態熱電材料相當，并有望通過優化摻雜等手段進一步提升。同時，該研究工作提出的“聲子液體”概念可以很好地解釋許多含銅和銀離子的半導體材料中發現的電熱輸運行為及其規律，為新熱電化合物的探索以及傳統熱電材料性能的進一步優化提供了新的方向和途徑。