基础研究|南方科技大学在室温热电材料领域取得新进展

近日，南方科技大学材料科学与工程系刘玮书副教授课题组在室温热电材料领域取得了新进展，研究成果以 “Mg3+δSbxBi2-x Family:A Promising Substitute for the State-of-the-Art n-Type Thermoelectric Materials near Room Temperature” 为题发表在国际顶级学术期刊 Advanced Functional Materials ，文章被选为下一期的 Inside Front Cover 。 课题组科研助理舒瑞为第一作者，刘玮书副教授为通讯作者，物理系黄丽助理教授为共同通讯作者，材料系谷猛副教授，物理系张文清教授，高能所徐伟副研究员，北京航材院刘勇高级工程题，上海同步辐射王宇副研究员等作者也对该相研究工作有重要贡献。

据了解，热电材料是一种可以直接实现热能与电能相互转换的新能源材料。基于该技术研制的热电发电或者制冷装置，具有结构简单、经久耐用、无噪声、无污染等优点，因此，在深空及深海探测中的放射性同位素电池中有重要应用。在本世纪初，由于环境和能源问题的焦虑，热电转换技术被认为有望解决大规模低品位废热的重要技术，因此，中高温热电材料成为人们追逐的热点，下图是近年来发现的部分新型热电材料。

与中高温热电材料相比，新型室温热电材料的研究进展较为缓慢。经典的碲化铋基热电材料自上世纪60年代被发现以来，一直被工业界沿用至今。虽然力学性能不佳，并且含有元素丰度极低的元素Te，但一直没有可替代的材料。室温热电材料与器件在精密电子元器件和光通讯元器件的热管理有重要应用。

随着物联网技术的快速发展，室温热电材料与器件还在利用环境温差为物联网传感器件提供电能方面有重要应用前景。2014年，P型MgAgSb被发现在室温附近具有优异的热电性能，但该材料含有贵金属Ag，在室温附近的大规模应用仍会受到限制。

此次刘玮书课题组所报道的这种以MgSbBi为主要元素N型热电新材料，在50-250℃的温度范围内具有和碲化铋基相当的热电性能和更好的力学韧性(3倍的KIC)，而元素价格仅为传统N碲化铋材料的1/4，因此有望取代传统N型室温热电材料，这是热电材料领域的重要突破。

该研究工作融合了能带结构工程调控材料的禁带宽度和Mn掺杂抑制材料的本征镁空位缺陷的技术策略，从而实现了该材料室温热电性能的突破。这项研究对于未来继续寻找更为性能优异的室温热电材料有很重要的指导意义。