Cu_2-xS和Cu_2-xSe类液态材料的可控制备与热电性能研究进展

更新时间:2023-05-28

【摘要】在高速发展的21世纪,随着化石能源的日渐枯竭,人们开始把目光投放到新能源的开发。其中,热电技术的研究和发展受到广泛关注。基于热电材料的热电发电技术能够将热能直接转换为电能,相关器件和系统具有体积小、质量轻、坚固、无传动部件、无噪声运行、安全可靠、易于控制等优点。热电优值（ZT）是评价热电性能的参数,ZT=S2σT/κ,其中S是泽贝克系数,σ是电导率,T是绝对温度,κ是热导率。当ZT值达到1以上时,说明热电材料达到商业应用的基本要求。近年来,多类性能出色的热电材料被发现并得到深入研究。"声子液体-电子晶体"（PLEC）类材料概念被提出后,就凭借其超低热导率特征而受到了广泛关注。作为典型的PLEC类材料,Cu-S系材料备受关注并得到较为深入的研究,其中以Cu2S和Cu2Se为主,它们都是本征p型半导体材料,具有低的热导率。在结构上,两种半导体随着温度的升高,都会发生结构相变,其中,723 K的α-Cu2S和400 K的β-Cu2Se为立方相,具有很低的热导率。在α-Cu2S中,Cu离子在S原子组成的刚性亚点阵中具有类液体的迁移行为,成为液态亚点阵。液态亚点阵对格波声子的横向传输具有很强的扰动,减少了热传导的横模数目,导致定容比热、声子平均速率和声子平均自由程的减小,使Cu2S具有很低的热导率。在制备方法上,Cu2-xS和Cu2-xSe均可采用纳米材料常见的合成方法——水热法和前驱体法,这两种合成方法均具有操作简单、成本低、粒径小和可灵活调控的优点。掺杂、复合是改善Cu2-xS和Cu2-xSe性能的常见手段,通过这两种方法改善其电导率或者改变其结构能够得到更低的热导率,从而获得更好的热电性能。如通过在S位上掺杂Te形成Cu2S0. 52Te0. 48,此化合物为纳米级马赛克结构,在1 000 K时,其ZT值达到2. 1。在Se位上掺杂S形成Cu2Se0. 8S0. 2,不仅能降低声子的散射速度,还能引入额外的点缺陷散射声子,进一步降低复合块体的热导率,在950 K时,ZT值达到1. 65。本文以PLEC类材料中的Cu2S和Cu2Se热电材料为主要对象,简要介绍其结构和性能,概述其常见的制备方法和最近提出的新型合成方法,综述其性能的改善方法及最新研究进展。

【关键词】 热电材料 PLEC类材料 2-xS MjAyNjUrWm9FaWs9SmhqVUJyR2xWc2l2d1A1Q1orb09CSGhQeldBVm1Fb0xRWHVOcmhJM2ViS2RSYitmWQ==) &#xA ">Cu2-xS 2-xSe MDQyNjRWc2l2K3VBMFkrZ09EWFE5dVJSbDdFMElQbmJtd3hBMWU3S1VUTHFhWitKdkVTM2tKaGpVQnJHbA==) &#xA ">Cu2-xSe

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