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材料学院蔡伟教授隋解和教授团队研究成果为热电制冷性能优化提供新思路

2023/05/18 263

(谢亮军 文/图)近日,哈工大材料学院隋解和教授、刘紫航教授和西安交通大学、中科院物理研究所组成的研究团队首次利用超细晶和多孔结构的镁银锑(MgAgSb)基热电材料制备了高性能热电制冷器件,为热电制冷性能优化提供了新思路。研究成果以《超细晶和纳米多孔材料的高效热电制冷性能》(Highly  efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and  nanoporous materials)为题发表在《今日材料》(Materials Today)上。

固态热电技术可以实现热能与电能之间的直接相互转换,在航天探测器以及微型电子器件精准控温等方面具有广泛的应用前景。在热电材料研究领域,常通过构建纳米尺度的晶粒或者多孔结构来有效降低材料晶格热导率,从而提升材料的热电性能。然而在实际应用中,具有纳米尺度晶粒的材料在高温环境服役过程中,面临着晶粒长大乃至蠕变的问题,从而导致材料性能衰减乃至器件失效;而材料中的多孔结构也会影响载流子输运,有可能导致材料电性能的下降。截至目前,这仍然是热电领域极为重要的两个科学问题。

研究团队结合高能球磨合金化和热压烧结,在MgAgSb热电材料中同时构建了超细纳米晶(平均晶粒约为93nm)和多尺度纳米孔洞两种缺陷结构,获得了接近MgAgSb材料非晶极限的晶格热导率和超过目前所有MgAgSb基材料的热电优值。与高性能的n型Mg3.2(Bi, Sb)2热电材料组成的热电器件的制冷性能超过了先前报道的非Bi2Te3热电器件的性能。该研究创新性地将细晶结构和纳米多孔结构应用到热电制冷器件中,显著提升了制冷性能并避免了材料性能的高温衰减。

哈工大隋解和教授、刘紫航教授和西安交通大学武海军教授为论文共同通讯作者,哈工大博士生谢亮军和西安交通大学硕士生刘子雨、中科院物理研究所博士生杨佳炜为共同第一作者。哈工大博士生曲诺、董行严、朱建博、师文静,硕士生吴昊,郭逢凯博士和蔡伟教授,西安交通大学硕士生彭古扬和张扬高级工程师,中科院物理研究所赵怀周研究员和朱航天副研究员参与了相关研究工作。

该研究获得国家自然科学基金委重点项目和哈工大青年拔尖人才计划项目的支持。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123000834

A:烧结温度对样品组织结构的影响示意图

B:超细晶和多孔结构对MgAgSb晶格热导率的降低效果

C:超细晶和多孔结构MgAgSb与其他方式优化MgAgSb材料的热电优值对比

D:制备的热电制冷器件与目前最先进制冷器件的最大温差对比

E:制备的热电制冷器件与目前最先进制冷器件的最大COP对比

制备的热电制冷器件