合肥科研团队攻克热电材料性能瓶颈 双反位缺陷策略实现黄铜矿基材料ZT值大幅提升

2026-05-20 09:05:36来源：互联网

近期，中国科学院合肥物质科学研究院联合中国科学技术大学的科研团队，在黄铜矿基热电材料领域取得关键技术突破——通过创新性的Ag/In合金化策略引入电荷平衡双反位缺陷，成功解耦电输运与热输运的调控矛盾，实现材料热电性能的大幅提升。 热电材料作为能高效完成热能与电能相互转换的核心材料，一直是能源领域的研究热点。衡量其性能的核心指标为无量纲优值ZT，由塞贝克系数、电导率、温度及热导率共同决定。理想的高性能热电材料需要同时具备高电导率、高塞贝克系数与低热导率，但长期以来，这三项性能指标的调控参数高度耦合，很难同时实现优化，尤其是在维持甚至强化材料固有电输运性能的同时抑制热传导，成为阻碍热电材料性能突破的核心难题。 针对这一行业痛点，科研团队将研究重心聚焦于缺陷工程的创新应用。他们采用Ag/In合金化技术，在Cu₀.₇Ag₀.₃GaTe₂体系中引入了电荷平衡的双反位缺陷。研究发现，该体系中Cu/Ag与Ga/In的原子比例偏离严格的1:1化学计量比，这种固有偏差为反位缺陷的形成提供了热力学驱动力；同时，Cu、Ag、Ga、In四种元素的原子半径相近，反位缺陷引发的晶格畸变较小，缺陷形成能垒相对较低，为双反位缺陷的稳定存在创造了有利条件。此外，团队通过精准调控有效抑制了Ag-Cu相分离，实现了原子尺度的均匀混合，确保了双反位缺陷在材料中的均匀分布。 这种电中性的双反位缺陷展现出独特的调控优势：它巧妙解耦了声子散射与载流子散射机制，在提升载流子浓度的同时维持了载流子迁移率；还通过增加载流子有效质量，优化了价带顶附近的态密度，进而提升了塞贝克系数。与此同时，In合金化诱导产生的合金无序散射与纳米畴结构相互作用，大幅增强了声子散射效果，多重散射机制共同作用下，材料的晶格热导率被有效抑制。 测试数据显示，Cu₀.₇Ag₀.₃Ga₀.₆In₀.₄Te₂样品在873K时的零温差ZT值达到2.03，300K至873K温度范围内的平均ZT值达0.61，较纯CuGaTe₂提升约59%，实现了热电性能的显著突破。 这一基于双反位缺陷的调控策略，打破了传统点缺陷工程中电输运与热输运难以兼顾的权衡关系，为热电材料的性能优化开辟了全新路径。相关研究成果已发表于国际权威学术期刊《美国化学会志》（JACS），研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。