熱電材料具有可實現熱能與電能直接相互轉換的功能，熱電轉換技術具有無噪音、無振動、便于集成化等優點，在溫差發電與固态制冷領域具有廣闊的應用前景。當前主流熱電材料體系為碲化铋（Bi2Te3）與碲化鉛（PbTe），二者分别在近室溫區（300~500 K）與中溫區（600~900 K）具有較好的熱電性能。但由于碲元素在地殼中含量與白金（Pt）和钯（Pd）接近，因此其極低的礦物資源豐度将會影響熱電材料的規模化應用。與此同時，為滿足不同的應用環境，需要研發寬溫域的高熱電性能材料。
近年來，beat365李敬鋒教授課題組緻力于元素豐度高的環境友好型新型熱電材料的研發，圍繞銻化鎂（Mg3Sb2）基熱電材料取得系列進展，在前期工作的基礎上，近期研究發現，在Mg3Sb2晶界上嵌入某些（Nb和Ta）高導電金屬納米相，可有效降低界面勢壘，增強近室溫的電輸運性能，實現了熱電優值（ZT值）的峰值和平均值的同時提升。研究采用機械合金化結合放電等離子體燒結工藝制備了多晶Mg3Sb2，發現Nb與Ta能以納米級金屬單質形式嵌于晶界處，且Nb單質與基體間會形成少量非均質Nb3Sb相。這些納米級金屬夾雜物與非均質相皆具有高于晶界的電導率，有效降低了晶界處的界面勢壘，減弱了載流子所受的晶界散射，增加了高能載流子對電輸運性能的貢獻，大幅提升了近室溫區的功率因子。同時，納米級的金屬顆粒會對聲子産生散射作用，有效降低晶格熱導率。通過電聲輸運的協同調控，整個測試溫度範圍内的熱電性能均得到大幅提升。最終，在Nb複合的n型Mg3(Sb,Bi)2材料中，zT值在300 K和798 K時分别提升至0.80和2.04，為目前已報道的最高值，由此制備的單臂器件熱電能量轉換效率在T=470 K時可達15%，在寬溫域内顯現出優異的應用潛力。本工作提出了一種通過納米複合策略改良Mg3(Sb,Bi)2基熱電材料晶界特性的新思路，拓寬了Mg3(Sb,Bi)2基熱電材料的應用前景。
Nb納米顆粒複合Mg3Sb2基熱電材料的微觀結構、界面調控及熱電性能
相關研究成果以“具有高平均及峰值zT的寬溫域n型Mg3(Sb,Bi)2基熱電材料”（Wide-temperature-range thermoelectric n-type Mg3(Sb,Bi)2 with high average and peakzT values）為題，于近日發表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。
beat3652019級博士生李靜薇為論文第一作者，清華大學李敬鋒教授、莊華鹭博士後為論文通訊作者，論文的其他重要合作者包括南方科技大學劉玮書教授和國家納米科學中心鄭強研究員等。研究得到國家自然科學基金委基礎科學中心項目的支持。
論文鍊接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-43228-9