【材料】日本丰田工业大学un.金属Cu2Se中发现巨大塞贝克效应

　日本丰田工业大学 Nat.Commun.在金属Cu2Se 中发现巨大的塞贝克效应

　【引言】

　在过去的几十年中，热电材料（TE）因为能够将废热转化为有用的电能，而得到了系统和全面的研究。热电材料的能量转化效率ZT=S 2 σT/κ，其中 S，σ，T 和 κ 分别代表塞贝克系数，电导率，绝对温度和热导率。到目前为止，已经发现和开发了多种热电材料，其中一些具有较高的 ZT 值，但由于整体性能不足，并不能广泛用于各种应用。

　有史以来报导的 ZT 的最大值是在单晶 SnSe 3 中发现的 ZT=2.6。然而最大 ZT 所对应的温度为 900K，其他方法在这个温度下会具有更高的能量转换效率。在 300~400K 的中低温范围内，大量的废热被排放到周围环境中，目前还没有任何有效的方法可以产生电能，因此，热电材料的开发十分必要。到目前为止，基于Bi 2 Te 3 的材料在该温度范围内具有最佳性能，其 ZT 值高达2.08。然而，这些 ZT 值仍然存在争议。

　所有这些材料都具有非常小的晶格热导率小于 1.0W/m/K 以及较大的功率因数 PF=S 2 σ，其与适合于热电材料的电子结构和最佳载流子浓度密切相关。S 和 σ 都是与载流子浓度相关的函数：前者随着载流子浓度的减少而增加，而后者随载流子浓度的减少而减少。因此，科研工作者研究了许多材料的最佳载流子浓度，并且实现了几百 μV/K 的塞贝克系数，几个 mΩ cm 的电阻率，以及几个 mW/m/K 2 的功率因数。

　【成果简介】

　近日， 日本丰田工业大学发现 “金属”Cu 2 Se 在 340-400 K 温度范围内具有巨大的塞贝克系数，其中材料内发生有序-无序结构转变，具有超过 2.3W/m/K 2 的功率因数值。这个数值是在不寻常的温度梯度下观察到的，该温度梯度不仅适用于与塞贝克测量方向平行的方向，同时也适用于垂直的方向。在非常小的晶格热导率（小于 1.8W/m/K）的支持下，ZT 值超过 450。这些巨大的 S，PF 和 ZT 值是在低温阶段获得的，这是由于持续高温所引起的自调整载流子浓度的结果。该成果以题为”Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu 2 Se”发表在 Nat. Commun.上

　【图文导读】

　 Figure 1.Cu 2 Se 的结构分析

　 (a,b).室温和 473K 下，同步辐射粉末衍射图案

　(c).Cu 2 Se 在高温和低温下的晶体结构

　(d).相分数随温度的变化

　 Figure 2.Cu 2 Se 的塞贝克系数

　 (a).塞贝克实验装置

　(b).实验所测得的塞贝克系数

　(c).热电动势的原始数据

　 Figure 3.Cu 2 Se 中塞贝克系数的重现性

　Figure 4.Cu 2 Se 热电性质的温度依赖

　 (a).电阻率

　(b).功率因数

　(c).导热率

　(d).比热和热扩散率

　(e).ZT 值

　(f).ZT 温度依赖性异常行为区域显示两个峰值

　(g).ZT 温度依赖性中所观察到平台区

　 Figure 5.简化 Cu 2 Se 的计算电子态密度和塞贝克系数

　 (a).电子密度

　(b).区域放大

　(c).计算的塞贝克系数随化学势能的变化

　 【小结】

　在这个工作中，作者发现在同时施加于平行和垂直测量方向的温度梯度下，金属 Cu 2 Se 在发生结构相变的较窄温度范围内（340K<T<400K）显示出两个信号反转和超过±2mV/K 的巨大 S值。具有超过 600 S cm -1 的较大幅度的 σ 的金属行为导致S 2 σ=2.3W/m/K 2 的巨大值。小于 2W/m/K 的小热导率导致 ZT 值超过 400。

　Discovery of Colossal Seeback Effect in Metallic Cu 2 Se

　(Nat. Commun., 2018, DOI: 10.1038/s41467-018-07877-5)