化學與材料科學 - 哈工大隋解和教授團隊《Acta Mater.》: 合金化SnTe基材料熱電性能和力學性能的折中－鑽石舞台

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熱電材料能夠實現熱能和電能的直接轉換，可應用於工業餘熱回收發電，契合「節能減排」這一國家重大戰略需求。SnTe基合金作為一種環境友好型中溫熱電材料，近年來得到了廣泛關注。研究者們多通過元素合金化優化載流子濃度、調整能帶結構、構建多尺度晶體缺陷等手段提高其熱電性能。然而，單一或少量元素合金化很難同時實現熱電輸運行為的協同調控。優異的熱電性能需要越來越多的合金化元素種類和數量以實現多種優化策略的組合。當前針對SnTe的成分調控中，合金元素的取代量甚至超過總原子數的30%，但關於重度合金化對材料力學性能影響的報道十分少見。

近日，哈爾濱工業大學材料科學與工程學院隋解和教授課題組以SnTe合金為例，闡明了重度合金化後熱電性能和力學性能的折中，研究成果以「Compromise of Thermoelectric and Mechanical Properties in LiSbTe2and LiBiTe2Alloyed SnTe」為標題發表在《ActaMaterialia》期刊上。

LiSbTe2和LiBiTe2與SnTe具有相同的NaCl型晶體結構，重度合金化後，基體中析出尺度約10 nm的共格析出相和尺度小於5nm的富Li納米疇，高濃度的點缺陷和析出相增強聲子散射，顯著降低晶格熱導率。第一性原理計算和Hall效應測量結果均顯示LiSbTe2和LiBiTe2合金化可以減小雙價帶能量差，實現能帶收斂，優化電輸運行為，獲得高功率因子。在實驗成分範圍內，合金化程度越高，平均熱電優值越大。然而在對力學性能的考察中發現，雖然高濃度的點缺陷引起固溶強化，使材料的維氏硬度大幅提升，但僅5%的陽離子取代即導致斷裂韌度斷崖式下降，同時考慮到脆性納米析出相對裂紋擴展的助推，20%以上的陽離子取代使得斷裂韌度甚至不足0.6MPa m1/2，致使材料在切割、打磨和裝夾等外力作用下極易出現邊緣崩裂甚至整體開裂現象，嚴重威脅其加工性及服役可靠性，不堪用的力學性能將使高熱電性能毫無意義。因此，該工作在展望中提出，對於IV-VI族化合物等本徵力學性能較差的熱電材料，在重度合金化提高熱電性能的同時，應考慮其對力學性能的惡化，可採用適當的組織結構設計等手段來提高材料力學性能，以期同時獲得高熱電性能和堪用的力學性能。

該工作第一作者為哈爾濱工業大學郭逢凱博士和研究生朱建博，通訊作者為隋解和教授和張幸紅教授。該研究得到了國家自然科學基金、中國博士後科學基金、黑龍江省博士後科學基金、黑龍江省自然科學基金以及黑龍江省頭雁團隊項目支持。