近期，中科院合肥研究院固体所材料应用技术研究室秦晓英研究员课题组在CuGaTe₂材料体系热电性能的研究方面取得新进展：通过在CuGaTe₂基体中引入碳颗粒(CPs)后形成的电子局域化和声子散射中心，显著提升了材料的热电性能。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry C 上。

　　当今社会能源枯竭的问题日益严峻，热电技术在众多能源技术中脱颖而出。这是因为热电材料可以实现热能与电能的相互转化并且不产生任何污染。目前，这项技术在航天、汽车等领域都有很大的应用。通常，人们用无量纲数值ZT来衡量热电材料的转换效率。它被定义为ZT=S²T /κρ，其中S是Seebeck系数，T是绝对温度，κ是总热导率，ρ是电阻率，其中S、ρ和κ是相互耦合的，这给提升热电材料的性能带来了限制。CuGaTe₂基热电材料属于黄铜矿结构，由于其本征优异的电学性能吸引了广泛关注。但由于材料本身较高的热导率，导致其ZT很难提升。

　　为此，科研人员通过引入碳微纳颗粒(CPs)复合，制备出CuGaTe₂-CPs的复合材料。一方面，由于CPs增强了声子散射(图1)，导致了热导率的大幅下降；另一方面，由于碳颗粒在该体系中的电子局域化作用，导致在CPs的周围形成富电子区域(图1)，进而提升了材料的电学性能。研究结果显示，当复合的CPs含量为0.5% 时对CuGaTe₂的热电性能提升最为显著，ZT值在873K时高达1.0，相较于基体提升了28%(图2)。进一步研究表明，CPs的引入使得材料的机械性能也有了很大优化(图3)，CuGaTe₂样品复合0.5 % 碳颗粒后，其硬度从4.45Gpa 降至3.82Gpa；同时其韧性从0.8提高到1.1 MPa×m^1/2。硬度的降低及韧性的提升为材料的生产加工提供便利，为其后续的实际应用奠定了基础。

　　该工作得到国家自然科学基金的支持。

　　文章链接：http://dx.doi.org/10.1039/D0TC00795A　　

图1. CuGaTe₂-CPs体系中各种声子散射机制和CPs附近电子局域化的示意图。

图2. (a) 复合不同含量CPs的CuGaTe₂-CPs体系的ZT值随温度的变化关系；(b) CuGaTe₂-CPs体系的最大ZT值 (ZT_max) 和其他材料的比较。

图3. (a) CuGaTe₂样品和 (b)CuGaTe₂+0.5% CPs 样品的硬度mapping图。