我學者在半哈斯勒單晶熱電材料領域取得重要進展
來源：科技日報 時間：2025-03-07 17:40
3月6日，記者從哈爾濱工業大學（深圳）獲悉，該校材料科學與工程學院教授張倩團隊在半哈斯勒熱電材料領域取得重要研究進展，制備出尺寸大于1厘米，且具有優異熱電性能的TiCoSb基半哈斯勒單晶。相關研究成果發表在《自然·通訊》上。
熱電材料可直接將熱能轉化為電能，在溫差發電領域具有重要應用。半哈斯勒合金因機械性能強、熱穩定性高，被視為中高溫熱電應用的理想材料。
然而，傳統多晶制備工藝易引入缺陷及雜質相，導致電子散射嚴重，電性能受限。單晶材料雖可減少缺陷、提升載流子遷移率，但其生長面臨元素熔點高、二元競爭相容易出現和缺陷難以控制等問題。目前金屬助熔劑法僅能制備長度不足3毫米的單晶，制約了高溫熱電性能表征與應用研究。
科研團隊另辟蹊徑，基于金屬助熔劑法，通過精準調控助熔劑配比、冷卻速率及溫度梯度，突破了半哈斯勒單晶生長技術瓶頸，制備出厘米級TiCoSb基單晶，且具有較高的結晶質量。
其中，科研團隊發現鈮元素摻雜的TiCoSb單晶的載流子遷移率為同體系多晶材料的2倍至3倍。
此外，科研團隊結合第一性原理計算發現，鉿元素合金化能夠有效增強TiCoSb基單晶的聲子非諧性散射，導致聲子譜明顯展寬和聲子壽命降低。
實驗發現，相較于純TiCoSb，鉿合金化可以使TiCoSb的晶格熱導率降低約80%。最終，優化后的TiCoSb基單晶的平均熱電性能顯著優于其同體系的多晶材料。
據此，科研團隊利用優化后的TiCoSb基單晶，成功制備出半哈斯勒單腿熱電器件，其能量轉換效率峰值約10.2%。（羅云鵬 謝梁暉）
責任編輯：沈馨蕊
