J ALLOY COMP:经由历程掺Co的协同效应后退Cu2SnSe3的热电功能 – 质料牛

发布时间：2024-11-07 07:52:42 来源： 作者：

一、经由【导读】 

热电(TE)质料具备将热能与电能相互转化才气。历程料牛因此，的的热电功它们可用于财富炉、协同效天热井、后退太阳能战人体等不开去历的经由兴热支受收受，此外借可用于种种激光战电子器件的历程料牛稳态热却。下效的的的热电功热电转换需供TE质料具备下功能，那尾要经由历程无穷目热电劣值ZT去评估，协同效ZT界讲为ZT= (S²σT)/κ，后退其中S、经由σ、历程料牛κ战T分说代表塞贝克系数、的的热电功电导率、协同效热导率战尽对于温度，后退而κ同样艰深由电子热导κ_e战晶格热导κ_l组成。

正在泛滥的热电质料中，类金刚石硫族化开物具备phonon-glass-electron-crystal (PGEC)特色，即可能约莫像玻璃同样猛烈天散射声子，而像晶体同样实用天传导电子，被感应是一类颇有前途的新型环保热电候选质料。其中，Cu₂SnSe₃做为一种p型半导体比去多少年去备受闭注。凭证分解条件的不开，可能结晶为不开的挨算，收罗单斜相(Cc, a= 6.967 Å , b= 12.0493 Å , c= 6.9453 Å , α= 90 °, β= 109.19 ° , γ= 90 °)战坐圆相(F3m, α= 5.696 Å)。思考到有利于声子散射的晶格周期性被挨治，战更下的对于称性有利于改擅费米能级处能带的简并性，坐圆相CTSe将是TE质料的更好抉择。凭证古晨钻研报道Cu₂SnSe₃中的Cu-Se键组成导电框架,主导Cu₂SnSe₃的p型电输运，但Sn的贡献很小。以是可经由历程Sn位异化，劣化传输通讲，劣化载流子浓度战修正相挨算等去后退质料的热电输运功能。

二、【功能掠影】

基于上述钻研布景，咱们经由历程固相同映反映战放电等离子烧结患上到致稀性较好的Co异化Cu₂SnSe₃一系列的样品，本初样品果其具备较低的载流子浓度，正在电教功能上展现为较低电导率。下场批注，用Co替换Sn后，由于Co做为受体的熏染感动战其价带中d轨讲的贡献，载流子浓度实用删减，态稀度(DOS)实用量量m^*增强。因此，正在823 K时真现了下达9.55 μW cm^-1K^-2的赫然功率果数(PF)。此外，声速阐收隐现，声子散射增强战键的硬化，晶格热导率受到较强的抑制。事实下场，正在Cu₂Sn_0.88Co_0.12Se₃中真现了~ 0.7的ZT_avg，战抵达最小大ZT = 0.97，多少远是本初样品ZT的两倍。

三、【中间坐异面】

(1) 随着Co异化量的删减，Cu₂Sn_1-xCo_xSe₃陶瓷样品的载流子浓度战电导率赫然后退，载流子实用量量删减，功率果子正在823 K时抵达最小大值9.5 μW m^-1 K^-2。

(2) Co异化激发的晶格缩短导致的声子散射增强战键开硬化抑制了晶格热导率。

(3) 正在Cu₂Sn_1-xCo_xSe₃中，杂洁的Co异化激发的协同效应导致ZT_max战ZT_avg分说为0.97战0.7 (823 K)，古晨处于Cu₂SnSe₃基质料的前方。

四、【数据概览】

图1. (a) Cu₂Sn_1-xCo_xSe₃(x= 0 ~ 0.12)样品的XRD图谱，(b) x= 0.09样品正在~ 27 °处的多峰拟开图，(c)残缺样品正在~ 27 °的峰偏偏移。(d)两种相的晶格参数随异化量的修正，用至心标志代表尺度数据。(e) x= 0.09样品的Co 2p地域的XPS谱，2p_3/2战2p_1/2峰之间的自旋轨讲割裂。15.7 eV讲明了Co²⁺的低级氧化态。

图2.(a) x= 0战(b) x= 0.12断心的SEM图像战x= 0.09 (c)战0.12 (d)组成元素(Cu, Se, Sn, Co)的EDS图谱。

图3. Cu₂Sn_1-xCo_xSe₃( x= 0 ~ 0.12)样品的(a)电导率、(b)塞贝克系数、(c)功率果子随温度的修正直线。(d)室温下载流子浓度战迁移率。(e) Weighted mobility。(f) Co异化CTSe样品室温下Seebeck系数随空穴浓度修正的皮萨连科图，其中删减了文献中援用的Fe-战Zn异化CTSe的数据做为比力。

图4. Cu₂Sn_1-xCo_xSe₃( x= 0 ~ 0.12)样品的(a)热导率κ_tot，(b)电子热导率κ_e战(c)晶格热导率κ_l正在323 ~ 823 K规模内随温度的修正关连，室温下声子仄均逍遥程l战仄均声速v_avg随异化浓度的修正关连如图4.(c)所示。

图5. Cu₂Sn_1-xCo_xSe₃( x= 0 ~ 0.12)样品的ZT值随温度的修正(a)从323 K到823 K，与报道功能最佳的Cu₂Sn_0.88F_e0.06In_0.06Se₃-5%Ag₂Se的数据比照。(b)本工做与Bi，Ag，Sb，Cd，Cu战Sn空地，In，Fe&In (与Ag₂Se复开)战Ag&In异化的ZT_max战ZT_ave的比力。

五、【功能开辟】

正在那项工做中从粉终XRD的Rietveld阐收批注，异化极限不下于12%，单斜相战坐圆相共存，前者具备赫然的晶格缩短。由于Co异化的受主熏染感动，载流子浓度战电导率赫然增强。可能由于价带中Co d态的贡献导致DOS m^*的删减，从而贯勾通接了较下的S，导致正在x= 0.12时，PF正在823 K抵达最小大值9.5 μW m^-1K^-2。同时，随着异化量的删减，晶格热导率κ_l被抑制到超低水仄，那主假如由于Co异化激发的缺陷对于声子的散射增强，其次是键的硬化，使κ_tot仍贯勾通接较低值。以是，当x= 0.12时，正在823 K患上到了~ 0.97的ZT峰值。下场批注，简朴的Co异化可能经由历程载流子浓度调节、能带建饰战键开硬化对于CTSe的电战热输运性量的协同影响，颇为实用天后退CTSe的热电功能。

本文概况：

Enhanced thermoelectric performance of Cu2SnSe3 by synergic effects via cobalt-doping[J]. Journal of Alloys and Compounds, 988 (2024) 174272. (https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174272)

本文由做者供稿

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