《Science》刊发北航赵立东教授课题组在电子制冷材料及器件研究上的新进展

点击数:    |    加入时间:2023-05-26

北航新闻网5月26日电(航宣)2023年5月26日,《Science》杂志报道了北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授课题组在电子制冷材料及器件的研究上取得的最新进展:《Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics》,该工作提出了“lattice plainification(晶格素化)”概念,通过降低硒化锡(SnSe)晶格中的空位浓度,大幅削弱了晶格缺陷对载流子的散射,实现了载流子迁移率的显著提升。制备的热电器件在300K温差下实现了12.2%的发电效率及室温下61.2K的最大制冷温差【Science 380(2023)841-846.】。北航2021级硕士研究生刘东锐为第一作者,北航2019级博士研究生秦炳超和赵立东为通讯作者,北京航空航天大学材料科学与工程学院为第一单位。这是赵立东教授课题组自2015年以来发表的第8篇《Science》。

热电制冷技术是一种利用帕尔帖效应直接将电能转换为热能的绿色制冷技术,仅通过调节工作电压和电流就可以实现对制冷量和温度的连续高精度控制(图1)。热电制冷技术由于其控温精准、尺寸灵活、结构多样和局部冷却等众多优势,在精确制导、传感器和5G光模块等关键领域具有比传统的机械压缩式制冷技术更强的竞争优势。因此,研发高性能制冷材料,提升制冷器件的制冷效率,对于诸多科技自立自强等关键领域的精确温控具有重要意义。

图1. Peltier电子制冷模型【J.Materiomics,1(2015) 92-105】

器件的制冷效率主要由材料的无量纲热电性能优值(ZT值)决定。由ZT值的定义ZT = (S2σ/κ) T 可知,在给定温度T下,高性能材料应具有大的温差电动势S(产生大的电压),高的电导率σ(减小焦耳热损耗)和低的热导率κ(产生大的温差)。然而各个物理参数之间的复杂联系形成了紧密的声子-电子耦合关系,使得热电材料的性能优化极其具有挑战性,调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和制冷效率的关键。

目前,碲化铋(Bi2Te3)基材料仍为唯一的可应用的热电制冷材料,然而Te元素的地壳稀缺程度等同于白金(且光伏材料CdTe占据一半市场份额),再且Bi2Te3及热电制冷器件存在可加工性能差、制冷性能不足和运行功耗过高等问题,因此探索和开发新型热电制冷材料及器件至关重要。赵立东教授课题组长期致力于开发新型热电材料和高效制冷器件,经筛选研究发现SnSe晶体具有优异应用潜力【Nature 508 (2014) 373-377;Science 351 (2016) 141-144】,并可成为新一代绿色制冷材料。2021年,课题组发现并利用了多能带的动量空间和能量空间协调效应(命名为Synglisis效应),实现了P型SnSe晶体室温热电性能的大幅提升,基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现 ~ 45.7K的最大制冷温差,这一数值可以达到商用Bi2Te3基制冷器件的70%【Science 373 (2021) 556-561】。2022年,该课题组针对热电制冷材料和器件的优化,提出了基于成分和工艺调控的“栅格化”策略,可通过调控材料的本征缺陷,获得更高的迁移率和近室温热电制冷性能【Moving fast makes for better cooling, Science 378 (2022) 832-833】。

受“成分素化”策略的启发【X Li, K Lu. Science 364 (2019) 733-734】,本工作通过修复晶格缺陷,提高载流子迁移率,即 “晶格素化”。通过在SnSe中引入微量Cu,观察到Cu可填充Sn空位,削弱了Sn空位对载流子的散射(图2)。额外的Cu还可以取代晶格中的Sn作为空穴掺杂,并有效促进了多价带Synglisis效应,进一步显著增强了有效质量和载流子迁移率。在室温下实现了~ 100μW cm-1 K-2的超高电传输性能(利于低功耗),以及室温ZT值 ~ 1.5和 平均ZT值 ~ 2.2(300-773K),研究表明SnSe晶体在“发电”和“制冷”两个关键领域均拥有巨大潜力。

图2. 通过晶格素化策略实现了载流子迁移率的大幅提升

基于获得的高性能SnSe晶体搭建的热电器件在发电和制冷都表现出优异的性能。如图3A所示,在300 K温差下热电器件能够实现 ~ 12.2%的发电效率;如图3B所示,热电制冷器件在热端温度(Th)为室温下能够实现 ~ 61.2 K的制冷温差。当热端温度Th >323K时,基于SnSe的制冷器件显示出比Bi2Te3更强的制冷优势。Th 为 343 K时,可以获得高达 ~ 90.6 K的制冷温差。除性能优异之外,与商用Bi2Te3相比,SnSe晶体还具有成本低、储量丰富、环境友好、可加工性能优异、运行功耗小等优势。

Science同期还刊登了韩国首尔大学In Chung教授的观点论文《Plainly fixing crystal lattices》,以Highlight形式对本工作进亮点报道。文中多次使用 “game-changer”、“ground-breaking”、“breakthrough”和“milestone”等形容词对本项研究工作给予了高度评价,并指出“晶格素化(lattice plainification)”策略对于新型热电制冷材料的开发和器件的优化提供了范式转变(paradigm shift),且具有里程碑意义。

图3. (A) 发电效率对比图;(B) 基于SnSe 和Bi2Te3材料器件的制冷温差对比

共同参与此项工作的有:北京高压科学中心高翔教授课题组、昆明理工大学葛振华教授课题组、郑州大学王东洋研究员。此项工作主要得到了国家自然基金基础科学中心项目(52388201)、国家自然科学基金自由探索专项项目(52250090)、国家重点研发计划(2018YFA0702100)、国家自然科学基金(51571007、51772012、1212204156)、111引智计划(B17002)等项目的资助,并得到了上海同步辐射光源(SSRF)BL14B1线站、北京航空航天大学高性能计算中心的支持和北航博士生卓越学术基金的资助。

论文链接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7196。

(审核:李建伟)

编辑:贾爱平


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