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[交流] 硅酸盐所热电材料CoSb3的掺杂机理研究获得重要进展

我所热电材料CoSb3的掺杂机理研究获得重要进展

热电转换技术是利用热电半导体材料的塞贝克（Seebeck）效应和帕尔帖（Peltier）效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷。该技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点.作为一种新型的清洁能源技术, 近几年在国际上颇受关注。
以CoSb3为代表的方钴矿类材料的晶格中存在尺寸较大的空洞，可以填入一些金属原子形成填充方钴矿化合物。这些填充原子的局域振动可以改变晶体的晶格振动模式，大幅度降低材料热导率，从而明显提高材料的热电转换性能，相关方向是近年来的研究热点。该新型热电材料的性能与晶格空洞中杂质原子的填充量的关系非常密切，实验上已经发现杂质原子在CoSb3中总存在一个填充量极限，但不同杂质的不同填充量及相关的掺杂机理问题却一直困扰着该领域的科学家们。这不但限制了该类化合物热电性能的进一步优化提高，而且影响新型填充化合物热电材料的研究和探索。
最近, 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的张文清研究员、陈立东研究员及其合作者美国通用汽车公司的杨继辉博士合作, 结合第一原理电子结构计算, 热动力学分析和实验观测, 系统研究了各种杂质原子在CoSb3晶格空洞中的填充问题，建立了可以预言杂质填充量极限的物理模型。该理论模型不仅重复了已存在的实验测量结果，而且揭示了决定杂质填充量极限的主要因素，并基于此发现了一个简单的寻找新的填充杂质的选择规则，预言了一些可能具有更高填充量的新杂质元素。部分理论预言结果已在实验上得到验证。这一研究成果为寻找新型填充热电材料提供了理论上的指导和依据，对理解填充化合物的热力学稳定性和有关物理性能具有广泛的重要科学意义。部分研究成果已发表在近期的国际权威核心期刊Physical Review Letters， 95, 185503 (2005)上。
该研究工作得到了中科院百人计划, 国家自然科学基金、教育部留学人员启动基金的大力支持。
相关链接：Filling Fraction Limit for Intrinsic Voids in Crystals: Doping in Skutterudites

国家重点实验室

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