研究 \\ 超细晶和纳米多孔材料的高效热电制冷性能

来源 | Materials Today

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背景介绍

热电( TE )技术作为一种绿色的工程解决方案，在小规模制冷和余热回收方面越来越受到关注。在实际应用中，固态冷却是其主导应用，由于具有高可靠性和紧凑性、无噪音运行、精确控温等优点，已经具有成熟的商用市场。除了边界或界面，孔隙率是另一种有效的策略，有望干扰声子输运以提高ZT。根据有效介质理论，导热系数随孔隙率的增加几乎呈线性减小。如果电输运受到的影响较小，则可以净增加功率因子与热导率的比值PF / κ，从而获得增强的ZT，这已经在BiSbTe、SnTe和方钴矿中实现。然而，纳米级孔隙对热电性能的作用目前仍存在争议，因为在某些情况下，电导率的降低速率比热导率的降低速率快得多，这将导致ZT恶化。这种明显的反差可能与孔隙的大小和分布以及材料的本征性质有关。

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成果掠影

纳米晶粒和孔隙作为两种常见的微结构缺陷，能够阻碍声子的传输。然而，迄今为止，纳米晶粒在高温下的稳定性以及多孔性在提高热电优值ZT方面的可行性仍是热电领域关注的问题。近日，哈工大材料学院隋解和教授、刘紫航教授和西安交通大学、中科院物理研究所组成的研究团队首次利用超细晶和多孔结构的镁银锑（MgAgSb）基热电材料制备了高性能热电制冷器件，在α-MgAgSb中设计的主要由纳米晶区域内的超细晶粒和随机分布的孔隙组成的微结构，在300 K时，产生了超低的晶格热导率0.46 W/mK，突破了估计最小值的限制，为热电制冷性能优化提供了新思路。研究成果以“Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials”为题发表在《Materials Today》上。

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图文导读

图1. 微观结构演变的原理图、改进的热电性能、模块的冷却性能。A：烧结温度对样品组织结构的影响示意图，B：超细晶和多孔结构对MgAgSb晶格热导率的降低效果，C：超细晶和多孔结构MgAgSb与其他方式优化MgAgSb材料的热电优值对比，D：制备的热电制冷器件与目前最先进制冷器件的最大温差对比，E：制备的热电制冷器件与目前最先进制冷器件的最大COP对比。

图2. 在473 K条件下烧结的样品微观结构表征图。

图3. 热性能分析。

图4. 电输运性能和优良热点效率。

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