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吴立明老师与陈玲老师 J. Am. Chem. Soc. 文章介绍

发布时间: 2020-06-23  浏览次数:

揭示室温热电材料[Bi2]m[Bi2Se3]n家族层间离域π键提升层间载流子迁移率机理

 

物联网技术正在广泛地影响人们的生活方式。这对无线、可穿戴、或便携式传感器提出了更高的要求。热电材料可将环境/身体热量直接转化为电能,提出了一种可能的解决方案。

室温热电材料目前还比较稀缺,转换效率也有待提升。当前的商用材料,Bi2Te3ZT ~ 1),[Bi2]m[Bi2Q3]n (Q = Se, Te)家族中m : n = 0 : 1的一员,但面临地壳中Te元素稀缺,毒性大等问题。而价廉的Bi2Se3ZT ~ 0.15)却又由于高热导率,低电导率致使其转换效率低下。近期国际同行Biswas课题组对BiSe化合物(m : n = 1 : 2的[Bi2]m[Bi2Q3]n家族成员)热电性能研究中发现,结构中的金属性[Bi2]双铋层的低能振动光学支与声学支耦合降低了晶格热导率。(J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 5866-5872)

北京师范大学吴立明课题组、陈玲课题组敏锐地发现该研究中,BiSe垂直于层方向的电输运性能明显优于Bi2Se3,他们认为这是一个重要的信息尚被忽略。由于有坚实的晶体化学和结构化学的基础,他们通过DFT方法研究了[Bi2]m[Bi2Q3]n家族代表性成员,BiSe,Bi8Se7和Bi4Se3m : n值分别为2 : 1, 5 : 7, 1 : 1)的能带结构,发现晶体结构中Bi0(双铋层中零价态的Bi原子)和Bi3+(Bi2Se3层中的三价Bi离子)的pxpy轨道对垂直于层结构方向(也即布利渊区的Г–A方向)的能带具有较大贡献,并在层间形成离域π键,从而增加了该方向上载流子的迁移率。同时他们提出可以用经验参数F (F = Dpx,py(Bi0)/Dpx,py(Bi3+)) 来评估这种层间离域π键的强度。研究表明: F最优值为1,当化合物F值越接近1,离域π键作用力越大,载流子迁移率也越大。计算表明:在[Bi2]m[Bi2Q3]n家族中,Bi8Se7的F = 1.06,最接近最优值,因而具有该家族化合物最大的载流子迁移率。随后他们通过实验证实了上述理论推断。实验工作表明:合成所得的Bi8Se7在300 K时载流子迁移为(33.08 cm2/Vs),高于BiSe(26.19 cm2/Vs),具有较高电导率,室温下ZT值与BiSe接近。进一步通过Te/Sb共掺杂, 调节导带顶部的走势和能量,共掺杂样品Bi5.6Sb2.4Se5Te2ZT值在425 K时提高到 ~ 0.7。通过单抛物线带模型预测,Bi5.6Sb2.4Se5Te2ZT在425 K时可达到 ~ 1.2,表明Bi8Se7基热电材料是一种在潜在的室温n型热电材料。

该研究工作近期被美国化学会志接收发表(J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05904)。新葡萄京官网8455为唯一完成单位。新葡萄京官网8455博士生贾斐为论文第一作者,2015级本科生刘泳一,2018级本科生舒心,张艺凡参与部分实验工作。该研究得到北师大高层次人才基金,国家自然科学基金、国家重点研究开发计划的资助,特此感谢。

 


 

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