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日本研究發現摻雜適量銻可提高硒化錫的熱電轉換效率

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2021年12月15日  

近年來,發達國家的能源消費相當浪費。總能量的近三分之二通常作為“廢熱”被丟棄到環境中,最終導致全球變暖。找到一種有效利用這種熱量的方法一直是每一位材料研究者的首要任務。


將這些廢熱作為電能回收的各種可能方法之一是使用所謂的“熱電轉換”——利用半導體中的溫差直接轉換為電壓的過程。熱電器件包括p型和n型半導體,具有電子和空穴兩種載流子。p型和n型半導體串聯在一起,產生很大的熱電電壓。因此,有必要開發具有高熱電轉換效率的p型和n型半導體。


最近科學家們將注意力轉向了一種特殊的半導體材料:一硒化錫(SnSe),據報道,它具有世界上最高的熱電轉換性能指數ZT值。然而,SnSe無法輕松控制載流子類型。堿離子摻雜改善了p型熱電性能,但堿離子是易揮發的擴散元素,不適合高溫應用。另一方面,添加鉍和碘使之成為n型,則會導致低電子濃度。


SnSe在低Sb濃度(<0.5%)時以p型傳導開始,在中等濃度(0.5%0.5%)時轉變為n型傳導。:東京科技


在《高級功能材料》雜志上發表的一項新的研究中,日本東京理工大學的一個科學家小組在TakayoshiKatase教授的帶領下發現,當摻雜銻(Sb)時,SnSe(Sn1xSbx)Se表現出一種特殊的傳導類型轉換。特別是,研究小組觀察到,在低摻雜濃度下,(Sn1-xSbx)Se一開始以p型傳導為主,但隨著摻雜量的增加而轉變為n型,最后在高濃度下又轉換回p型。研究小組發現,經過細致的分析和計算,發現了一種有趣的電荷型開關機制,它與銻在錫和硒之間的取代位點的分布有關。他們將這種轉換行為歸因于隨著摻雜量的增加,主要的Sb取代位點從Se(SbSe)轉換到Sn(SbSn)。


科學家解釋說,在很低的銻濃度下,p型傳導完全是由Sn空位提供的空穴造成的。但隨著摻雜量的增加,SbSn開始提供電子,而SbSe形成一個“雜質帶”,允許通過它傳導,從而導致觀察到的n型行為。然而,隨著摻雜水平的進一步提高,費米能級接近位于SbSe雜質帶和導帶最小值之間的中間隙能級,導致p型導電。


有了如此顯著的見解,結果無疑是SnSe潛在的游戲規則改變者。不過,Takase教授預見的范圍更廣。”Katase教授推測,既然我們了解了Sb摻雜SnSe極性轉換的機制,我們就有望優化體合成工藝,進一步提高其熱電性能,進而實現高性能的熱電轉換器件。”


此外,研究人員還期望基于摻雜位開關的極性控制在未來會變得更加通用,并且可以應用于其他載流子類型難以控制的半導體材料。我們希望這將導致一個未來,在那里廢熱不再是浪費!


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