n型Sb合金SnSe热电多晶中纳米结构和导热系数降低的证据

【引言】

高效清洁的能源生产是当前最大的挑战之一。能源回收可以而且应该在这方面发挥重要作用。分布式高质量中温源（即400℃以上）产生的余热是一种宝贵的资源，应该加以回收。热电发电机（TEG）将废热转化为有用的电能，对这一点至关重要。TEG有许多优点：它们操作简单，安静，健壮，具有可扩展的体系结构。然而，目前的材料效率低下，因此三甘醇还不具有成本效益。TEG利用Seebeck效应将温度梯度转换为电压，同时使用p型和n型半导体串联和并联热连接。

【成果介绍】

SnSe是一种极具吸引力的热电材料，具有极高的正Seebeck系数。在这里，我们描述了通过直接电弧熔炼技术制备的Sn_1–xSb_xSe金属间化合物合金的合成、结构、显微和热电特性。合成了Sb掺杂的硒化锡纳米颗粒。中子衍射研究表明，Sb位于Sn亚晶格中，浓度高达30%，并产生大量Sn空位，而层间距的增加有利于纳米结构的形成。这种材料是纳米结构，既有平面外的纳米尺度层，也有平面内的纳米尺度层∼这些层的5 nm起伏。这种纳米结构，加上Sn空位数量的增加，使得热电材料的热导率降低。根据高分辨透射电子显微镜观察到的纳米结构，从低温、热导率和比热的角度估计声子平均自由程约为2nm。SnSe的热导率通过三种独立的技术进行表征，以确保室温下的Sn_0.8Sb_0.2Seκ∼ 0.6W /mK。使用Linseis LFA 1000仪器测量了x=0.2合金在300K≤ T≤ 800 K温度范围内的热扩散率（α）。新制备的掺锑化合物表现出电荷载流子类型的突然变化，导致较大的负Seebeck系数，尽管电弧熔融合成的颗粒对于热电应用仍然具有太大的电阻。冷压球团在室温下演变为p型，但在500K左右可重复地转变为n型，电导率和观察到的最大优值ZT增加∼ 908 K时为0.3。

【图文导读】

图1：（a） 生长态Sn_0.8Sb_0.2Se，空间群Pnma中Rietveld细化的XRD图谱。观察到强烈的择优取向，增强了[h00]反射。插图显示了所有Sn_1–xSb_xSe（x=0.1、0.2、0.3、0.4）化合物的XRD图谱(b） Sn_0.8Sb_0.2Se在室温下的中子粉末衍射（NPD）剖面的观测（十字）、计算（实线）和差异（底部）。

图2：随着掺杂浓度（x=0.1，0.2，0.3，0.4）的变化，生长态Sn_1–xSb_xSe的晶胞参数演变(a） a参数，（b）b参数，（c）c参数，（d）单位细胞体积。

图3：含95%概率位移椭球的Sn_0.8Sb_0.2Se晶体结构。

图4：生长态Sn_0.8Sb_0.2Se的SEM图像，显示由血小板（垂直于[100]方向）组成的纳米结构，放大倍数为（a）×16 000和（b）×10 000，显示典型的血小板厚度在10和40 nm之间。

图5：（a）Sn_0.8Sb_0.2Se的热导率，通过PPMS中的四探针绝热TTO技术、3ω-技术和热扩散率（激光闪光）测量，以及（b）仅通过TTO PPMS技术测量Sn_1–xSb_xSe（x=0，0.1，0.2，0.3，0.4）的热导率，误差条（未显示）与面板（a）的误差条相似。

图6：Sn_0.8Sb_0.2Se（a）两个样品的Seebeck系数与温度的关系，测量了几次（b）电导率，（c）功率因数，和（d）优值。

【结论】

采用简单的方法制备了一系列Sn_1–xSb_xSe金属间化合物，得到了高纳米结构的样品。中子衍射研究揭示了组成晶体结构的层内共价性增加（垂直于晶体学轴），而层间距离增加，有利于掺锑材料的纳米结构。大量扩展晶界的存在对热输运和电子输运有两个主要影响。系列中的所有成员都观察到了较大的电阻率值，这对热电性能是不利的。另一方面，热导率极低，远低于文献报道的SnSe值。此外，Sb掺杂显著影响了原始样品中由正空穴演化而来的载流子的符号，达到了668μvK⁻¹在380 K时，对整个系列中的电子载流子，在370 K， x=0.1时达到−306μvK⁻¹。从头算计算表明，Sb掺杂会导致Sn的缺乏，从而预测了这种行为。Sn空位处的电荷俘获降低了Sb掺杂改变电子性质的效率。然而，它可能有助于减少晶格热导率淬灭光学声子对点缺陷散射，指向一个PGEC。n型SnSe掺杂材料的描述是重要的，因为TEGs的实现需要两种类型的载流子并联的材料耦合。