skutterudite热电材料的最新研究进展

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1、Skutterudite热电材料的最新研究进展Skutterudite热电材料的最新研究进展/胡安徽等?37?Skutterudite热电材料的最新研究进展胡安徽,杨君友,鲍思前,樊希安,段兴凯(ep中科技大学模具技术国家重点实验室,武汉430074)摘要首先介绍了填充式Skutterudite热电材料在成分优化方面的研究进展,再从组织结构优化以厦合成低维Skutterudite材料等几个方面探讨了近年来Skutterudite类热电材料的研究状况和最新进展.关键词方钴矿热电材料填充限度低维RecentDevelopmentofSkutteru

2、diteThermoelectricMaterialHUAnhui,YANGJunyou,BAOSiqian,FANXi'an,DUANXingkai(StateKeyLaboratoryforPlasticFormingSimulation&DieTechnology.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074)AbstractInthispaper,theprogressincompositionoptimizationoffilledskutteruditeisintr

3、oducedfirstly,andthenresearchstatusandrecentdevelopmentofmicrostructureoptimizingandlow-dimensionalSkutteruditematerialarealsodiscussed.Keywordsskutterudite,thermoelectricmaterial,FFL,low-dimensional0引言Skutterudite是一种CoAs3矿物的名称,俗名方钴矿,它的通式为(其中A是金属元素,如Ir,Co,Rh,Fe等;B是V族元素,如As,S

4、b,P等),具有非常复杂的立方晶体结构,1个单位晶胞包含了8个分子,共32个原子,每个晶胞内还有2个较大的笼状孔隙[1].二元Skutterudite热电材料具有比较大的Seebeck系数和较高的电导率,但是由于热导率也比较高,使得热电优值Z相对较低.Skutterudite类热电材料研究的目标是在不影响材料电导率和Seebeck系数的前提下尽可能降低材料的热导率,最终提高材料的ZT值.由于其特殊的笼状晶体结构,可以往笼状孔隙中填充稀土或其它小尺寸金属原子,填充原子与周围原子结合比较弱,可以在笼状孔隙中振动,对声子进行散射,从而可大幅度降低材料

5、的热导率[z].目前Skutteru—dite类热电材料性能优化主要通过成分优化(如填充,置换),组织结构控制以及低维化3个方面来实现.本文从这几个方面对Skutterudite类热电材料的研究进展进行综述.1成分优化成分优化是提高Skutterudite材料热电性能的主要途径,通过填充或形成置换固溶体来实现.对填充而言,关键因素是填充限度FFL(fillingfractionlimit)『3],目前在填充限度FFL的研究上已经有了较大的进展;关于填充的另一个主要进展是复合填充.在以前的研究中,往往都是采用单质填充,尽管已经取得了较好的成果,但

6、是要想再进一步提高材料的性能显得比较困难,而复合填充对声子的散射作用可能比一种原子填充时对声子的散射作用更强,并且能在更宽的组成范围内调整和优化化合物的电传输特性,从而更大程度地提高材料的热电性能.而对置换固溶体而言,关键因素是置换原子在质量和原子尺寸上的差异.1_1填充进展1.1.1填充限度FFL(fillingfraction1imit)的研究填充原子可以改变材料的载流子浓度以及迁移率,还可以改变材料的无序度,而影响这些性能的关键之一是填充量.Xshi等利用密度泛函方法(densityfunctionalmethod)对FS(filledS

7、kutterudite)的填充限度进行了研究,认为影响FFL的主要因素是填充原子与主原子间的相互作用以及它们之间第二相的形成,同时FFL还与原子价态,电负性以及第二相的热力学稳定性密切相关.结合第一原理电子结构计算,热力学分析和实验观测,)(.Shi等系统研究了各种杂质原子在CoSb3晶格孔隙中的填充问题,建立了可以预言杂质填充量极限的物理模型[.,,2～一f9坚)一c1[1--e?'I]+C2(1),,当温度为OK时,Cl--760,C2一一1.53;温度为1000K时,Cl=5.29,Ca一--0.96.zjb和分别是sb和填充原子I的电负

8、性.该理论模型不仅验证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.在此基础上他们还发现了一个简单的寻找新的填充杂质的选择规则,并窥