昆明理工大学葛振华教授团队在方钴矿材料热传输微观机理方面取得重要进展

近日,材料科学与工程学院葛振华教授和冯晶教授与德国于利希电镜中心金磊研究员合作,在填充型方钴矿热电材料的微观结构表征和热传输机理方面取得重要进展,相关工作以题为Atomic-Scale Observation of Off-Centering Rattlers in Filled Skutterudites发表在《Advanced Energy Materials》(中科院双一区Top期刊,IF=29.368)上。昆明理工大学为第一作者单位,葛振华教授为论文第一作者。

热电材料能够实现废热与电能的直接相互转化,人们可以将废弃的热能直接转化为电能,比如钢铁厂的废热废气,汽车尾气,太阳余热等都可以利用热电材料直接转化为电能。方钴矿(skutterudite)热电材料具有廉价、环境友好等特点。但早期的研究发现,方钴矿热电材料的热导率太高,难以维持温差而使得其热电性能不佳。填充型方钴矿,是在方钴矿笼状结构的间隙中填充Yb,Ce等稀土原子,这些填充原子与笼状骨架之间形成弱的结合键,并进行无规则振动,这种振动类似于响尾蛇的尾巴,而被定义为“Rattler”。由于填充原子的振动,大幅降低了方钴矿的热导率,从而使得方钴矿热电材料成为已经商业化使用的中温区热电材料。但是对于方钴矿热电材料填充量的定量表征和n型方钴矿和p型方钴矿Rattler的振动行为仍缺乏细致研究。

本研究采用熔融固相法结合放电等离子烧结制备了本征Co4Sb12,n型Yb0.2Co4Sb12以及p型Ce(CoFe3)Sb12块体材料,表征了样品的相结构,热电性能,并采用原子分辨率负球差成像透射电子显微技术表征了上述样品的微观结构,并首次采用电镜技术定量分析了样品的填充率,并深入研究了填充原子的振动行为。研究表明p型样品的填充原子,其振动中心明显偏离了中心位置,这种偏心振动加大了晶格畸变,能够更显著的降低热导率,这一结论与实验测得的晶格热导率结果吻合。

《Advanced Energy Materials》是国际顶尖能源材料类期刊,由德国应用化学会主办,Wiley出版集团出版,主要报道能源材料包括能量收集材料、能量转换材料和能量储存材料的前沿研究结果。

上述成果得到了国家自然科学基金项目和云南省基础研究计划项目的资助。

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