近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所秦晓英研究员课题组在研究黝铜矿Cu12Sb4S13热电性能时发现，当S位Se替代和Cu位Zn替代时，Cu3SbS4杂质相含量发生显著变化，从而引起主相化学计量比的变化，导致S空位及空穴浓度的变化。最终由于载流子浓度的优化、界面势能量依赖的载流子散射大幅提高了功率因子，以及杂质和界面声子散射降低了热导率，提升了Cu12Sb4S13的热电优值。相关研究成果发表在Applied Physics Letters上。
随着社会的进步，能源和环境问题已成为新世纪人类面临的最严峻挑战。热电材料可在热能与电能之间进行直接转换，具有体积小、可靠性高、不排放污染物、适用温度范围广、环境友好等特点，成为目前的研究热点。近年来，黝铜矿Cu12Sb4S13由于其廉价的组成元素、低的本征晶格热导率和优异的电输运性质而引起了人们的极大关注。尽管Cu12Sb4S13具有超低的晶格热导率，但由于其过高的载流子浓度和较低的热电势，其热电性能仍然较低。目前研究大多采用高价元素Cu位掺杂降低优化载流子浓度、提高热电势，进而提升热电性能，但很少有人研究和关注元素替代对黝铜矿样品中杂相的形成及其对主相Cu12Sb4S13化学计量比的影响，从而引起热电性能的变化。
基于此，课题组研究人员通过熔炼和真空热压法制备了一系列不同含量的Se和Zn分别在S位和Cu位替代的Cu12Sb4S13样品。研究表明，同价替代（Se替代S）样品中，杂质相Cu3SbS4含量发生了显著变化，这引起Cu12Sb4S13化学计量比的改变，从而导致了S空位d的变化，由于S空位的变化引起电子浓度的变化（图1(b)），从而优化了载流子浓度。
为了进一步优化和改善Cu12Sb4S13-xSex的热电性能，研究人员在同价替代的基础上选择性能最优样品（Cu12Sb4S12.8Se0.2）再用Zn2+取代Cu1+进一步优化载流子浓度以及增强声子的杂质散射；同时双替代引起的杂相与主相的界面增强了声子散射、降低了热导率。另外，界面势可能造成的能量过滤效应引起热电势的提升。最终双替代样品Cu12-yZnySb4S12.8Se0.2，（y=0.025和0.05）热电优值高达0.9（723K），相对未掺杂样品（0.64）ZT值提升了41%（图2(c)），表明元素双替代能够有效调控并提升黝铜矿的热电性能。
该工作得到国家自然科学基金的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1063/1.5119402
图1. (a) Cu12Sb4S13-xSex 样品电阻率随温度的变化关系；(b) Cu12Sb4S13-xSex 样品中S空位引起的电子浓度变化；
(c) Cu12Sb4S13-xSex 样品Seebeck系数随温度的变化关系；(d) Cu12Sb4S13-xSex 样品功率因子随温度的变化关系
图2. (a) Cu12-yZnySb4S12.8Se0.2样品总热导率随温度的变化关系；(b) Cu12-yZnySb4S12.8Se0.2样品晶格热导率随温度的变化关系；
(c) Cu12-yZnySb4S12.8Se0.2样品热电优值随温度的变化关系；(d) 我们获得的最大ZT值和已报道的高性能Cu12Sb4S13材料的最大ZT值
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