Недавно команда профессора Чжао Лидуна из Пекинского университета аэронавтики и астронавтики в сотрудничестве с Тайюаньским университетом науки и технологий добилась значительного прогресса в области термоэлектрических материалов. В ходе исследования была расширена стабильная температурная область высокотемпературной фазы Cmcm кристаллов селенида олова (SnSe), а также осуществлено управление симметрией кристаллической решётки в фазе Cmcm кристаллов N-типа SnSe и значительная оптимизация характеристик транспорта «двумерных фононов/трёхмерных зарядов». Это позволило успешно распространить выдающиеся термоэлектрические свойства кристаллов N-типа SnSe (ZT~3) с одной температурной точки на широкий диапазон температур в 250°C (ZTave~3), достигнув эффективности генерации энергии в одном плече около 19,1%. Данный результат подтвердил огромный потенциал кристаллов N-типа SnSe в области термоэлектрической генерации и заложил прочную основу для создания термоэлектрических генераторов на основе SnSe.

1. Термоэлектрическая генерация требует высокого безразмерного показателя добротности ZT в широком температурном диапазоне.
   Транспорт «двумерных фононов и трёхмерных зарядов» позволяет кристаллам олово-селенида (SnSe) n-типа в фазе Pnma достигать пикового значения ZT ~3.0 при 748 K. В данном исследовании основное внимание уделяется высокосимметричной фазе Cmcm с целью усиления транспорта «двумерных фононов и трёхмерных зарядов» и расширения платформы высоких характеристик (ZT ~3.0).
   Путём одновременного расширения стабильного окна фазы Cmcm и повышения симметрии кристаллической решётки за счёт легирования свинцом, мы расширили высокие характеристики с одной температурной точки до широкого диапазона около 250 K, который проявляется в кристаллах SnSe фазы Cmcm типа каменной соли, допированных хлором, с n-типом проводимости.
   Среднее значение ZT ~3.0 было достигнуто в диапазоне от 673 до 923 K, а эффективность преобразования при перепаде температур около 572 K составила приблизительно 19,1%.

2. Инженерия симметрии кристаллической решётки:
   За счёт легирования высокой концентрацией свинца (23%) не только снижается температура фазового перехода, но, что более важно, изменяется локальная симметрия решётки фазы Cmcm, приближая её к более симметричной «структуре типа каменной соли».

3. Механизм синергетической оптимизации: инновационный подход к решению проблем
   — Снижен деформационный потенциал, ослаблено рассеяние носителей заряда фононами, что позволило сохранить или даже повысить высокотемпературную подвижность носителей даже при значительном увеличении их концентрации (решение проблемы сильного высокотемпературного рассеяния).
   — Одновременно регулирована зонная структура, увеличена эффективная масса плотности состояний, что компенсирует снижение коэффициента Зеебека из-за роста концентрации носителей.
   — В термическом аспекте: легирование свинцом вызывает размягчение химических связей, что дополнительно снижает решёточную теплопроводность.

4. Революционные результаты:
   В материале Sn₀.₇₇Pb₀.₂₃Se₀.₉₅Cl₀.₀₅ удалось расширить платформу высоких характеристик со средним ZT ~3.0 от 673 K до 923 K, охватив диапазон в 250 K, и достичь исключительно высокой эффективности преобразования — 19.1%.

Характеристика свойств материалов

Рис.  Высокая термоэлектрическая эффективность в широком температурном диапазоне в кристаллах SnSe с фазой Cmcm за счёт усиления двумерного фононного и трёхмерного зарядового транспорта.

Рис. Электротранспортные свойства и зонные структуры SnSe₀.₉₅Cl₀.₀₅ и Sn₀.₇₇Pb₀.₂₃Se₀.₉₅Cl₀.₀₅ в перпендикулярном плоскости направлении при температурах от 673 до 923 K.

Рентгенофазовый анализ (XRD) материалов

Описание изображения: Рентгенограмма порошка SnSe₁₋ₓClₓ

Описание изображения: Результаты рентгенофазового анализа порошковых образцов
(A) Рентгенограмма порошка Sn₁₋ₓPbₓSe₀.₉₅Cl₀.₀₅
(B) Рассчитанные параметры кристаллической решётки Sn₁₋ₓPbₓSe₀.₉₅Cl₀.₀₅

Содействие инновациям в научных исследованиях

Участие рентгеновского дифрактометра серии FRINGE в создании научного исследования уровня Science не только подтверждает техническую компетентность компании Langsheng Science в области высокотехнологичных аналитических приборов, но и символизирует достижение мирового уровня научного оборудования, разработанного в Китае. На протяжении всего процесса — от анализа кристаллической структуры до количественного определения фаз — дифрактометр XRD от Langsheng Science, благодаря своей выдающейся стабильности и точности, стал надёжным помощником учёных в исследовании неизведанного и получении результатов мирового класса.

В будущем Langsheng Science продолжит стимулировать технологические инновации, внося твёрдый научно-технический вклад в интеллектуальное развитие человечества и способствуя тому, чтобы больше научных приборов «Сделано в Китае» сияли на мировой научной арене.