單晶和熔融淬火高密度Cu2-xSe塊材的優異本征熱電性能

【引言】

由于我們日益嚴重的環境問題和能源危機，高溫熱電（TE）技術對于可持續和環保的清潔能源供應越來越重要。當結上形成溫度梯度時，熱能可以直接轉化為電能。

【成果介紹】

高溫熱電材料的制備成本高、工藝復雜，部分阻礙了其實際應用。在這項工作中，我們提出了熱電材料的另外兩個重要特性：高晶體對稱性和同相熔融。通過對Cu_2-xSe的晶體結構和Cu-Se二元相圖的分析，我們認為新近發現的Cu_2-xSe熱電材料，其品質因數zT大于1.5at（1000K），理論上滿足這些要求。采用激光閃光法(LINSEIS LFA 1000)測量了熱擴散系數（D）。我們發現其優良的熱電性能是固有的，對晶粒度的依賴性較小，而高密度的樣品可以通過熔體淬火的方法很容易地制備出來。我們的結果顯示，熔融淬火樣品和單晶的熱電性能幾乎相同，在973 K的溫度下zT高達1.7–1.8。我們的發現不僅為具有優異熱電性能的高密度Cu_2-xSe塊體提供了一種廉價、快速的制備方法，為Cu_2-xSe在實際熱電模塊中作為一種優良的元件實現商業化鋪平了道路，同時也為尋找具有高晶體對稱性的新型熱電系統或進一步提高其他現有同成分熔融熱電材料的性價比提供了指導。

【圖文導讀】

圖1：（a） 銅硒系統的二元相圖。插圖所示為高溫b相Cu_2-xSe的3D單元。

（b） 高溫b相Cu_2-xSe的單胞分別朝向（100）和（111）平面觀察。

圖2：制備樣品的X射線衍射圖：（a） 用改進的Bridgman法生長Cu_2-xSe單晶。（b） 水淬Cu_2-xSe。（c） 淬火Cu_2-xSe。（d） 低溫a相Cu_2-xSe的標準XRD峰。

圖3：樣品的FE-SEM圖像:(a, b)單晶的表面和截面圖像。插圖顯示了Cu, Se單晶的光學圖像。水淬Cu_2-xSe的斷面圖像 (c) 。內部(d)和近表面(e)淬火Cu_2-xSe塊的圖像。(f) e圖中A區的放大圖像。

圖4：單晶和超快速成形Cu_2-xSe塊體熱電輸運性質的溫度依賴性：

（a） 電阻率（r），（b） 塞貝克系數（S），（c） 總熱導率（k），（d） 晶格熱導率（k L），（e） 功率因數（PF），以及（f） 熱電優值（zT）。

【結論】

結果表明，快速熔體淬火法能很好地制備出具有優良TE性能的高密度Cu_2-xSe塊材，973k時zT<1.7，該方法也適用于其它類型的同熔TE材料。值得注意的是，由于熔體淬火只需少量的時間，因此可以顯著降低單位時間的制造成本。我們也有提出了銅離子的立方晶對稱性和液態性，使Cu_2-xSe表現出*的TE性能。我們的研究結果為Cu_2-xSe作為TE模塊中的優良組分的商業化鋪平了道路，也為尋找新的各向同性TE體系或進一步提高其他同成分熔融TE材料的性價比提供了指導。