清华大学在高性能硒化亚铜基复合热电材料方面取得进展

材料内部微观载流子和声子的输运特性使得热电材料具备实现热能和电能直接相互转换的能力。基于塞贝克效应和帕尔贴效应，热电转换技术在温差发电和固态制冷方面有着良好的应用前景。硒化亚铜（Cu2Se）是一种具有“声子液体-电子晶体”特征的新型快离子导体热电材料，具有较高的热电优值。然而，亚铜离子的迁移性导致了Cu2Se存在稳定性差、迁移率低的问题，不利于实际应用。

近期，清华大学材料学院林元华教授团队提出原位复合效应结合界面优化的策略同步提升快离子导体Cu2Se的稳定性和热电性能。研究采用自蔓延高温合成方法原位复合铋铜硒氧（BiCuSeO）基含氧化合物材料提升Cu2Se的稳定性和力学性能。在此基础上，引入适量石墨烯调制电-声输运行为，实现热电性能的显著提升。最终，Cu2Se-BiCuSeO-石墨烯复合热电材料的ZT峰值可达2.82（1000 K）且在473 K-1000 K范围内的平均ZT值可达1.73，是该体系目前报道的最高性能（图1）。本策略简单有效，有利于实现大规模工业化制备，为其在中高温区废热回收及温差发电的应用奠定研究基础。

图1.热电优值

原子尺度下的界面结构分析（图2）表明BiCuSeO与Cu2Se原位复合后，在BiCuSeO的晶格中存在额外的Cu-Se层与Cu层。部分易迁移的亚铜离子被束缚在该结构中，限制了亚铜离子的长程迁移从而提高了Cu2Se的稳定性。此外，不同相之间的界面平滑且在特定方向呈现共格特征，有利于载流子输运同时增强对声子的散射作用。

图2.原子尺度界面结构

电学方面，适量石墨烯的引入可有效提升材料的迁移率，从而电学性能得到了大幅提升（图3）。迁移率的提升一方面是由于石墨烯本身具有较高的迁移率，另一方面是由于适量的石墨烯在复合材料中构建了快速导电通路。

图3.电学输运性能

热学方面，适量石墨烯的引入增强了对声子的散射作用，由声速测试计算可知声子平均自由程降低。采用非弹性中子衍射技术得到声子态密度，并由此分析声子态密度重叠因子的变化，进一步说明界面在声子输运中的作用（图4）。

图4.热学输运性能

相关成果以“复合效应实现Cu2Se基材料的高热电性能”（Compositing effects for high thermoelectric performance of Cu2Se-based materials）为题，近日在线发表于国际著名期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上。

材料学院博士后、清华大学水木学者周志方为论文的第一作者，清华大学林元华教授、北京化工大学兰金叻教授为论文的通讯作者。论文的重要合作者还包括清华大学南策文教授，南方科技大学何佳清教授、黄亦博士、何东升高级工程师，澳大利亚核科技组织（ANSTO）的于德洪（Dehong Yu）博士，以及清华大学魏宾博士后、杨岳洋博士和郑云鹏博士等。研究得到国家自然基金委科学中心、面上项目等的资助。