填充方钴矿热电材料:从单填到多填  

Filled skutterudites: from single to multiple filling

作　　者：席丽丽[1] 杨炯[1] 史迅[2] 张文清[1] 陈立东[2] 杨继辉 

机构地区：[1]中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室 [2]中国科学院上海硅酸盐研究所能源材料研究中心 [3]Materials and Process Laboratory,General Motors R&D Center,Warren,Michigan 48090,USA

出　　处：《中国科学：物理学、力学、天文学》2011年第6期706-728,共23页Scientia Sinica Physica,Mechanica & Astronomica

基　　金：国家重点基础研究发展计划(编号:2007CB607503);国家自然科学基金(批准号:50825205;50821004;10634070);中国科学院创新项目(编号:KJCX2-YW-H20)资助

摘　　要：以传统窄带半导体材料为主要对象的高性能热电材料研究近年来发展迅速并取得了明显进展.本文以含本征晶格孔洞的笼状结构CoSb3基方钴矿化合物的相关研究为主线,综述近年来热电材料的主要研究进展,并分析了杂质原子在孔洞中部分填充特性为基础的填充方钴矿化合物的结构调控、电-热输运性能协同调控、以及热电性能优化的内在物理机制及其实验实现.在本征孔洞结构的方钴矿化合物中引入部分填充的杂质原子,通过局域声子散射而显著降低晶格热导率,同时可以优化电输运性能.研究还发现这样一类特殊结构化合物的电热输运性能可以通过选择不同价态与不同局域振动频率的多种不同填充原子的组合填充而实现可以近乎独立地调控与优化,热电优值达到1.7@850K,实现了明显具有"声子玻璃-电子晶体"特征的一类高性能热电材料.研究工作一方面明显提高了填充方钴矿材料的热电性能,另一方面加深了相关物理机制的理解,对进一步的新热电材料体系的设计具有指导意义.Research on traditional thermoelectric （TE） materials with narrow bandgap have made great progress in recent years. Here, we primarily reviewed the study on CoSb3 skuttuerdites with intrinsic crystal voids that could be partially filled with various filler atoms for TE performance optimization. By combining experimental measurement of electrical/thermal transport properties and theoretical study of electronic structure and structural stability, we analyzed the fundamentals in understanding the filling behavior of fillers atoms in the voids, and provided a few guidance rules in simultaneously optimizing electrical and thermal transport properties for thermoelectric performance optimization. By following those rules, nearly independent tunning of electron and phonon transports can be achieved in these caged compounds. As a result, these partially filled skutterudites basically satisfy the picture of the ‘phonon glass-electron crystal’ paradigm, and TE figure of merit （ZT） was pushed up to reach 1.7@850 K, highest among all reported bulk TE materials. The general discussions could also provide guidance in searching for novel thermoelectric materials.

关 键 词：热电材料 声子玻璃-电子晶体 填充量上限 方钴矿 

分 类 号：TB34[一般工业技术—材料科学与工程]