近日，上海硅酸鹽所研究員史迅、陳立東與副研究員仇鵬飛，以及上海交通大學(xué)副教授魏天然等合作，開發(fā)出n型Ag20S7Te3和p型(Ag0.2Cu0.8)2S0.7Se0.3高性能無機(jī)塑性熱電化合物，并利用其室溫優(yōu)異的變形能力制備出可與曲面熱源緊密貼合的環(huán)形熱電器件。相關(guān)研究成果分別以Ductile Ag20S7Te3 with Excellent Shape-Conformability and High Thermoelectric Performance和p-Type Plastic Inorganic Thermoelectric Materials為題，發(fā)表在Advanced Materials和Advanced Energy Materials上。

Ag20S7Te3化合物與Ag2S的中溫相結(jié)構(gòu)相似，均為體心立方結(jié)構(gòu)。室溫下Ag20S7Te3具有比Ag2S更優(yōu)異的變形能力，可與環(huán)形、四方形、甚至螺母表面形成緊密貼合。第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，立方結(jié)構(gòu)的Ag20S7Te3具有比單斜結(jié)構(gòu)的Ag2S更低的不穩(wěn)定層錯(cuò)能和更高的解理能，這是室溫下Ag20S7Te3變形能力優(yōu)于Ag2S的原因。Ag20S7Te3適中的禁帶寬度(0.29eV)和高的載流子遷移率(470 cm2 V-1s-1)導(dǎo)致其具有較高的功率因子。同時(shí)，Ag20S7Te3晶格熱導(dǎo)率在0.2-0.4 Wm-1K-1之間，其極低的晶格熱導(dǎo)率來自于晶體結(jié)構(gòu)中可遷移的Ag離子和無序分布的S/Te原子對(duì)聲子的強(qiáng)烈散射。在600K時(shí)，Ag20S7Te3熱電優(yōu)值為0.8，與區(qū)熔法制備的n型商用Bi2Te3基合金相當(dāng)。研究團(tuán)隊(duì)將彎曲后的n型Ag20S7Te3和p型Pt-Rh線構(gòu)成環(huán)形熱電器件，在70 K溫差下，該原型器件開路電壓為69.2 mV，最大輸出功率為17.1 μW。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Advanced Materials上，上海硅酸鹽所博士研究生楊世琪為論文第一作者。

該研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步選取n型Ag2S0.7Se0.3材料，在Ag位固溶Cu，將n型導(dǎo)電行為改變成p型導(dǎo)電行為。當(dāng)Cu的成分在0.7-0.8區(qū)間時(shí)，材料兼具塑性和p型導(dǎo)電行為。p型材料在室溫具有優(yōu)異變形能力，其三點(diǎn)彎曲應(yīng)變達(dá)10%，壓縮應(yīng)變大于30%。第一性原理計(jì)算表明，(Ag0.2Cu0.8)2S0.7Se0.3具有與Ag2S0.7Se0.3相當(dāng)?shù)母呓饫砟?不穩(wěn)定層錯(cuò)能比值，這是其室溫具有大變形能力的原因。同時(shí)，隨Cu含量的增加，材料的主要缺陷類型由Ag間隙離子(施主缺陷)轉(zhuǎn)變?yōu)镃u空位(受主缺陷)，導(dǎo)致材料導(dǎo)電類型由n型轉(zhuǎn)變?yōu)閜型。通過進(jìn)一步成分優(yōu)化，在800K時(shí)Cu缺位的p型(Ag0.2Cu0.8)2S0.7Se0.3熱電優(yōu)值達(dá)0.95。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Energy Materials上，上海硅酸鹽所博士生高治強(qiáng)和楊青雨為論文共同第一作者。

研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院、上海市青年科技啟明星計(jì)劃等的支持。

圖1.（a）不同形狀的 n型Ag20S7Te3無機(jī)塑性熱電化合物及其熱電優(yōu)值；（b）與曲面熱源具有良好結(jié)合的Ag20S7Te3基環(huán)形熱電器件及其輸出性能

圖2.（a）(Ag1-xCux)2S0.7Se0.3澤貝克系數(shù)和力學(xué)性能隨Cu含量的變化；（b）不同形狀的p型(Ag0.2Cu0.8)2S0.7Se0.3無機(jī)塑性熱電化合物