赵立东教授课题组在热电半导体制冷材料及器件研究上的新进展

rongshuxia

2024年3月15日，《Science》杂志报道了北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授课题组在热电半导体制冷材料及器件研究上取得的最新进展：《Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3》，该工作提出了一种“grid-plainification（栅格素化）”概念，通过使用物理气相沉积（PVD）生长晶体的方法，以及填补硒化铅（PbSe）晶格中的Pb空位，大幅削弱了晶格缺陷对载流子的散射，实现了载流子迁移率的显著提升。制备的热电器件在室温下实现了73.3K的最大制冷温差，并在420K温差下实现了11.2%的发电效率【Science 383 (2024) 1204-1209.】。北航2018级博士、卓越百人博士后秦永新，北航2019级博士、卓越师资博士后为第一作者；北航前沿科学技术创新研究院副研究员张潇和赵立东为通讯作者，北京航空航天大学材料科学与工程学院为第一单位。这是赵立东教授课题组自2015年以来发表的第9篇《Science》。


       热电制冷技术是一种利用帕尔帖效应直接将电能转换为热能的绿色制冷技术，仅通过调节工作电压和电流就可以实现对制冷量和温度的连续高精度控制（图1A）。热电制冷技术由于其控温精准、尺寸灵活、结构多样和局部冷却等众多优势，在精确制导、传感器和5G光模块等关键领域具有比其它制冷技术更强的竞争优势。因此，研发高效的制冷材料及器件，对于诸多科技自立自强等关键领域的精确温控具有重要意义（图1B）。

图1. (A) Peltier电子制冷示意图；(B) 基于半导体制冷的精准控温装置

        器件的制冷效率主要由材料的无量纲热电性能优值（ZT值）决定。由ZT值的定义ZT=(S2σ/κ)T 可知，在给定温度T下，高性能材料应具有大的温差电动势S（产生大的电压），高的电导率σ（减小焦耳热损耗）和低的热导率κ（产生大的温差）。然而各个物理参数之间的复杂联系形成了紧密的声子-电子耦合关系，使得热电材料的性能优化极其具有挑战性，调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和制冷效率的关键。
        目前，以碲化铋（Bi2Te3）为基体的材料体系仍为唯一可应用的热电制冷材料，然而Te元素的地壳稀缺程度等同于白金，因此探索和开发新型热电制冷材料及器件至关重要。赵立东教授课题组长期致力于开发新型热电材料和高效制冷器件，经筛选研究发现SnSe晶体具有优异应用潜力【Nature 508 (2014) 373-377；Science 351 (2016) 141-144】，并可成为新一代绿色制冷材料。2021年，课题组发现并利用了多能带的Synglisis效应（调控动量空间和能量空间），实现了P型SnSe晶体室温热电性能的大幅提升，基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现 ~ 45.7K的最大制冷温差，这一数值可以达到商用Bi2Te3基制冷器件的70%【Science 373 (2021) 556-561】。2022年，该课题组提出了基于成分和工艺调控的“栅格化”策略，通过调控材料的本征缺陷可获得更高的迁移率和近室温热电制冷性能【Science 378 (2022) 832-833】。2023年，该课题组成功验证了“栅格化”策略，在P型SnSe晶体中引入微量的Cu来填充本征Sn空位，通过“晶格素化”策略实现了超高电传输性能（利于低功耗），其热电制冷器件在热端温度（Th）为室温下能够实现~ 61.2 K的制冷温差，制冷性能已接近P型商用Bi2Te3【Science 380 (2023) 841-846】。
        相对而言，可以取代商用Bi2Te3的N型热电制冷材料研究进展缓慢。
        本工作主要的研究基于提出的“栅格化”策略和“晶格素化”概念，通过调控N型PbSe晶体中的本征缺陷，改善了载流子迁移率，实现了高效率电子制冷。通过物理气相沉积（PVD）生长晶体的方法来制备出高质量的PbSe晶体，以及在PbSe晶体中额外引入微量的Pb，观察到了PbSe晶格中的本征Pb空位被填补，其对应的点缺陷散射被削弱，从而有利于载流子迁移率的显著增加。在室温下实现了~ 52 μW cm-1 K-2的超高电传输性能，以及室温ZT值~ 0.9和平均ZT值~ 1.4（300-673K），研究表明N型PbSe晶体在“发电”和“制冷”两个关键领域均有巨大潜力。
       基于获得的高性能N型PbSe晶体在发电与制冷都表现出优异的性能。如图3A所示，在420K温差下能够实现 ~ 11.2%的发电效率；如图3B所示，与本课题组2023年开发的高性能P型SnSe晶体（Science 380（2023）841-846）搭配制备的Se基热电制冷器件在热端温度（Th）为室温下能够实现 ~ 73.3 K的制冷温差，其制冷性能优于Bi2Te3基等材料的制冷器件。本工作搭建了第一个无Te的Se基热电制冷器件，对于在未来取代Bi2Te3具有重要的指导意义。
      Science同期还刊登了奥地利科学与技术研究院Maria Ibáñez教授的观点论文《Electron highways are cooler》，以Highlight形式对本工作进亮点报道。文中多次使用 “superior”，“outstanding” ,“far beyond”等表述，对本项研究工作给予了高度评价。
      共同参与此项工作的有：北京高压科学中心高翔教授课题组、昆明理工大学葛振华教授课题组、郑州大学王东洋研究员、太原科技大学宿力中教授。此项工作主要得到了国家自然科学基金基础科学中心项目（52388201）、国家自然科学基金自由探索专项项目（52250090）、国家自然科学基金（52002042、51571007、51772012、12204156）、北京市杰出青年基金（JQ18004）、111引智计划（B17002）、国家杰出青年基金（51925101）、腾讯探索奖、中国博士后科学基金（2023T160037、2023TQ0315、2023M743224）、中国博士后创新人才计划（BX20230456）等项目的资助，北京航空航天大学高性能计算中心的支持。
       本研究链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9589
        赵立东教授课题组网站链接：http://shi.buaa.edu.cn/zhaolidong/zh_CN/index.htm
       附：该论文的北航作者简介
       第一作者
       秦永新 北京航空航天大学材料科学与工程学院2018级博士、卓越百人博士后
        北航材料学院2018级博士，2021年6月博士毕业后继续在北航从事博士后工作，现为北航卓越百人博士后。主要从事Ⅳ-Ⅵ族热电材料性能优化及热电器件优化设计，已在Science、J. Am. Chem. Soc.、 Energy Environ. Sci.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.等国际学术期刊上发表20余篇创新成果，获得授权发明专利1项，作为负责人主持博士后基金1项，荣获2021年北航优秀毕业生。
       秦炳超 北京航空航天大学材料科学与工程学院2019级博士、卓越师资博士后
        北航材料科学与工程学院2013级本科、2017级硕士、2019级博士，2023年6月博士毕业后获国家博士后创新人才计划资助，现为北航卓越师资博士后。主要从事SnSe基热电材料的制备、性能优化和器件探索。作为第一/共同第一/通讯作者已在Science（4篇）、Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.（3篇）和Energy Environ. Sci.等期刊发表50余篇创新成果，曾荣获国际热电学会ITS Goldsmid Award（全球1人/每年）、国际材料联盟前沿材料优秀研究生奖（每年全球约10人次）、国家奖学金（2次）、宝钢优秀学生奖、北航研究生十佳（硕+博）、北航博士生卓越学术基金、中国热电学会优秀研究生奖等数十余项荣誉奖励。以第二合著者出版中文专著一本《锡硫族层状宽带隙热电材料》。
         通讯作者
         张潇 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院副研究员
         主要从事热电能源转换材料和智能涂层材料研究，主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金等，参与重点研发计划等，以第一作者/通讯作者发表论文在Science、Energy Environ. Sci.、 J. Am. Chem. Soc.等期刊，获北京市优秀毕业生（本科/博士各1次），北京航空航天大学优秀博士学位论文，第一届中国硅酸盐学会Journal of Materiomics优秀论文，入选J. Mater. Chem. C Emerging Investigators (2022)，获中国材料研究学会科学技术奖二等奖（排名2/2）等。以第二合著者出版中文专著一本《氧硫族化合物BiCuSeO热电材料》。
         文章来源：北京航天航天大学
       赵立东，北京航天航空大学教授。1979年生于哈尔滨。2001年和2005年分别获得辽宁工程技术大学 (原阜新矿业学院) 金属材料及热处理专业学士和材料学硕士学位，2009年获得北京科技大学材料学博士学位。2009年至2011年，法国巴黎十一大学(University of Paris-Sud) 物理系博士后。2011年2014年，美国西北大学(Northwestern University) 化学系博士后。主持北航“卓越百人”和“青年拔尖人才”计划。