我學(xué)者在半哈斯勒單晶熱電材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展
來源：科技日報(bào) 時(shí)間：2025-03-07 17:40
3月6日，記者從哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）獲悉，該校材料科學(xué)與工程學(xué)院教授張倩團(tuán)隊(duì)在半哈斯勒熱電材料領(lǐng)域取得重要研究進(jìn)展，制備出尺寸大于1厘米，且具有優(yōu)異熱電性能的TiCoSb基半哈斯勒單晶。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》上。
熱電材料可直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，在溫差發(fā)電領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。半哈斯勒合金因機(jī)械性能強(qiáng)、熱穩(wěn)定性高，被視為中高溫?zé)犭姂?yīng)用的理想材料。
然而，傳統(tǒng)多晶制備工藝易引入缺陷及雜質(zhì)相，導(dǎo)致電子散射嚴(yán)重，電性能受限。單晶材料雖可減少缺陷、提升載流子遷移率，但其生長面臨元素熔點(diǎn)高、二元競爭相容易出現(xiàn)和缺陷難以控制等問題。目前金屬助熔劑法僅能制備長度不足3毫米的單晶，制約了高溫?zé)犭娦阅鼙碚髋c應(yīng)用研究。
科研團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，基于金屬助熔劑法，通過精準(zhǔn)調(diào)控助熔劑配比、冷卻速率及溫度梯度，突破了半哈斯勒單晶生長技術(shù)瓶頸，制備出厘米級TiCoSb基單晶，且具有較高的結(jié)晶質(zhì)量。
其中，科研團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)鈮元素?fù)诫s的TiCoSb單晶的載流子遷移率為同體系多晶材料的2倍至3倍。
此外，科研團(tuán)隊(duì)結(jié)合第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鉿元素合金化能夠有效增強(qiáng)TiCoSb基單晶的聲子非諧性散射，導(dǎo)致聲子譜明顯展寬和聲子壽命降低。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相較于純TiCoSb，鉿合金化可以使TiCoSb的晶格熱導(dǎo)率降低約80%。最終，優(yōu)化后的TiCoSb基單晶的平均熱電性能顯著優(yōu)于其同體系的多晶材料。
據(jù)此，科研團(tuán)隊(duì)利用優(yōu)化后的TiCoSb基單晶，成功制備出半哈斯勒單腿熱電器件，其能量轉(zhuǎn)換效率峰值約10.2%。（羅云鵬 謝梁暉）
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