【热电材料】武汉理工大学苏贤礼研究员:区熔n型Bi1.96Sb0.04Te2.70Se0.30热电材料均匀性研究

2023~2024年  分领域虚拟专辑

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本研究采用熔融-区熔-退火工艺制备了Br掺杂四元n型Bi_1.96Sb_0.04Te_2.694Se_0.3Br_0.006材料，系统探讨了区熔温度对材料组成和热电性能均匀性的影响规律，发现区熔温度对棒材均匀性有很大影响，轴向组成分凝是影响其均匀性的重要因素。降低区熔温度至958 K显著抑制了富集相的分凝，制备出了具有优异热电性能和均匀性的圆柱型锭体(内径16 mm，高55 mm)，样品不同区域的室温ZT最大差异仅为14%，并且958 K-ET样品在350 K下获得最大ZT为1.05。

研究背景

区熔法是目前制备Bi₂Te₃基材料的重要方法。然而，区熔工艺对Bi₂Te₃基材料分凝的影响尚不清晰，特别是材料组元增加会使分凝过程更加复杂。针对以上问题，该论文系统研究了区熔温度对四元n型碲化铋基材料的分凝和均匀性的影响规律，得到了具有优异热电性能和均匀性的材料。

本文亮点

通过调节区熔温度并研究其对化学组分的影响，将n型区熔棒材在不同区域(顶部中心、顶部边缘、底部中心、底部边缘)的室温ZT最大差异从31.5%(988 K)降低至14%(958 K)，使材料的均匀性得以改善。

图文导读

如图1所示，区熔温度对Bi_1.96Sb_0.04Te_2.694Se_0.3Br_0.006材料的电输运性能沿轴向分布有明显影响。在高区熔温度下(988和1003 K)，分凝效应导致材料热电性能不均匀。例如988 K-CT样品的室温σ为8.54×10⁴ S·m^–1，较988 K-CB样品的1.11×10⁵ S·m^–1下降了30%，两者的PF分别为34.6和46.4 μW·cm^–1·K^–2，差异达34%。同时，1003 K样品σ进一步劣化，各区域室温σ均小于9×10⁴ S·m^–1，且室温PF分布仍不均匀，ΔPF_max达到了28%。当区熔温度降至973 K和958 K时，材料表现出优异的均匀性，尤其是958 K样品性能最佳。958 K-CB和958 K-CT样品室温σ分别为1.11×10⁵和1.09×10⁵ S·m^–1，958 K-EB和958 K-ET样品分别为1.04×10⁵和1.14×10⁵ S·m^–1。不同区域样品室温σ的最大差异仅为1×10⁴ S·m^–1，相差约9%。958 K-CB和958 K-CT样品的室温S为–186和–195 μV·K^–1，958 K-EB和958 K-ET样品为–195和–199 μV·K^–1，最大差异仅为13 μV·K^–1，相差约6.9%。958 K-CB和958 K-CT样品的室温PF为38.5和41.6 μW·cm^–1·K^–2，958 K-EB和958 K-ET样品分别为39.6和45.4 μW·cm^–1·K^–2，在不同区域的最大差异仅为6.8 μW·cm^–1·K^–2，相差17.8%。同时，973 K样品各区域的σ与PF差异也分别控制在18%和19.7%以内。这表明在低区熔温度下，样品的电性能差异较小且性能表现较均匀。

在958~1003 K区熔温度范围内，棒材沿轴向从底部到顶部形成了显著的成分梯度，底部富集熔点较高的(Bi,Sb)₂(Te,Se)₃相(Sb、Se含量相对较高，Bi、Te含量较低)，而顶部富集低熔点的Bi₂Te₃相(Bi、Te含量相对高，Sb、Se含量低)。由于Bi₂Te₃组分在固相中的溶解度低于熔体，当温度较高时，低熔点的Bi₂Te₃容易随熔体提拉至顶部并优先析出；相反，高熔点、富含Sb和Se的组分更倾向于滞留在棒材底部。

总结与展望

该研究探究了区熔温度对多组元n型(Bi,Sb)₂(Te,Se)₃基热电材料化学组分及性能均匀性的调控机制，发现降低区熔温度至958 K可有效抑制顶部与底部Bi₂Te₃和(Bi,Sb)₂(Te,Se)₃相的分凝，为制备均匀的高性能区熔热电材料提供了重要指导工艺。

同行评议

该工作揭示了区熔温度对多组元 n 型 (Bi,Sb)₂(Te,Se)₃基热电材料化学组分及性能均匀性的调控机制，对制备均匀高性能热电材料具有指导意义

作者简介

通讯作者：苏贤礼，武汉理工大学研究员、博士生导师，国家级高层次青年人才。本硕博均毕业于武汉理工大学，期间赴美国密歇根大学联合培养(2010~2012)，并访学美国西北大学(2016~2018)。长期从事热电材料研究，聚焦热电材料设计、微结构调控及非平衡制备工艺(如熔体旋甩、自蔓延燃烧合成)，电/热输运性能协同优化等。在Nature、Nature Communications、Energy & environmental Science、Advanced Materials等国际著名期刊发表研究性论文180余篇，主持国家优青(2022)等多项基金，获中国热电材料学会青年学者奖(2014)。

第一作者：吴明轩，硕士毕业于武汉理工大学。本研究内容在苏贤礼研究员的指导下由该作者独自完成。

期刊介绍