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近日，長春理工大學材料科學與工程學院郭鑫課題組在BiCuSeO陶瓷熱電材料的超高壓結構修飾及性能優化方面取得突破性進展。相關成果在國際頂級期刊Adv. Energy Mater.（中科院一區，IF=27.8）發表題為“Ultrahigh-Pressure Structural Modification in BiCuSeO Ceramics: Dense Dislocations and Exceptional Thermoelectric Performance”的研究性論文。材料科學與工程學院碩士研究生音展翔、張鶴為共同第一作者，郭鑫副教授為論文通訊作者。長春理工大學為第一完成單位。
陶瓷氧化物作為中高溫區熱電材料在溫差發電領域具有重要的應用價值，其中BiCuSeO基陶瓷由于獨特的層狀結構特征表現出較低的熱導率，被認為是一種潛在的高性能熱電材料。通過引入致密位錯大幅降低晶格熱導率，實現熱電性能的顯著提高，已經在許多傳統合金或金屬間熱電材料中得到證實。然而，由于陶瓷氧化物中較強的共價鍵和離子鍵，相比于傳統合金熱電材料，通過常規方法在陶瓷氧化物中引入高密度位錯仍然面臨著巨大的挑戰。
該研究基于超高壓在物理水平上對微觀結構調控的優勢，在研究BiCuSeO基陶瓷的結構及熱電性能的過程中，引入了壓力維度進行缺陷結構及性能的研究。由于BiCuSeO基陶瓷制備過程中超高壓力（~GPa）的引入，在陶瓷氧化物的微結構中實現了高密度位錯（~9.1×1016 m-2）的突破，揭示了超高壓力下位錯的成核和增殖機制。由于高致密位錯的產生，BiCuSeO基陶瓷獲得了極低的晶格熱導率（0.13 Wm-1K-1）。
同時，通過Debye-Callaway模型很好的擬合了的實驗值，從而佐證了高密度位錯的形成及其對晶格熱導率的降低作用。得益于超高壓引入的致密位錯，BiCuSeO基陶瓷的熱電性能（zT）達到創紀錄的1.69，成為目前已報道的氧化物材料中最高的熱電性能。利用最優樣品的熱電性能模擬了單臂熱電模塊在不同溫差的能量轉換效率，結果顯示溫差在500K時最高轉換效率可達12%，高于已報道單臂熱電模塊的理論和實驗值。
該工作證明了超高壓技術是一種有效引入高密度位錯的物理手段，通過熱力學的另一個維度（壓力）克服了傳統方法對陶瓷中位錯調控的困難，為包括熱電材料在內的功能性材料的性能優化提供了新策略。
原文連接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202403174
原文始發于微信公眾號（長理材料）：小材報道 | 我院郭鑫課題組在陶瓷熱電材料的超高壓結構修飾及性能優化方面取得突破性進展
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