热电材料研究取得新进展

作为论文的第一作者和通讯作者之一，华东师范大学物理学系理论物理研究所的柯学志博士，在最新一期的美国物理学会的权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters 103(2009)145502）上发表了有关热电材料PbTe-AgSbTe2的生长和结构方面的一篇有意义的学术论文。随着全球工业化步伐的加快，世界性的能源短缺已经成为制约经济社会发展的重要因素。利用温差来发电，就是一种能源再利用的极好方法，但是其关键是选择热电材料与技术。因为其应用不需要使用传动部件，工作时静音、无排弃物，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保节能材料。因此，人们希望找到一种拥有较高的热电转换效率的材料。然而，大部分热电材料热电转换效率偏低成为制约热电材料应用的主要因素。热电转换效率主要由热电优值(ZT)来决定，现在大部分热电材料ZT<1(对应热电转换效率<10%),因此，提高ZT值一直是热电材料研究者的主要工作，我国也非常重视，目前有国家重大基础研究计划（973）等项目。人们发现PbTe/AgSbTe2复合材料具有很高的热电性能，其平均热电性能优值ZT有可能突破2，高于一般的热电材料，耐热温度可达到800-900K，耐热温度区间则高达500K，人们估计它的热电转换效率可能达到18%。因此PbTe/AgSbTe2复合材料是一种非常有发展前景、亟待发掘的材料，对PbTe-AgSbTe2的研究是非常有意义的。为了研究这种材料产生高热电优值的原因，研究者首先必须知道其具体的原子结构，但是在体块材料PbTe中确定AgSbTe2纳米颗粒的生长机制及其结构是当今世界实验上的技术难题。在美国内华达大学拉斯维加斯分校访问期间，柯学志博士与该校物理系的陈长风教授，美国通用汽车公司的杨继辉博士和美国Brookhaven国家实验室的实验小组进行合作，利用第一原理的量子力学方法并结合高分辨率的透射电镜仔细地研究了AgSbTe2的生长机制及其原子结构，得到了一些有意义的结果。柯学志等研究者对掺杂物AgSbTe2在PbTe中的生长机制和原子结构有了非常有意思的发现：一是模拟的图像与高分辨率的透射电镜一致；二是一般而言，一个带正电荷（的离子）总是喜欢与一带负电荷的结成一对（电偶极子），但在一定的条件下（压力或者应力的作用下），研究者发现情况刚好相反；三是研究者发现的基态结构比其它研究组所发现的大约要稳定相当800度的温度，这些发现可能对这一类PbTe掺杂热电材料将有一定的指导意义。研究者计划将在此基础上进一步研究其高热电优的机理和系统地研究这一类热电材料的生长机制。（来源：华东师范大学汪海）