Design und Charakterisierung von Thermoelektrika
Thermoelektrische Materialien realisieren die Umwandlung zwischen thermischer Energie und Elektrizität. Sie gelten als aussichtsreiche Kandidaten zur Linderung der Energie- und Umweltkrise. Die Leistungsfähigkeit von Thermoelektrika wird durch die dimensionslose Gütezahl zT bestimmt. Der Seebeck-Koeffizient und die elektrische Leitfähigkeit hängen von der Ladungsträgerkonzentration und der effektiven Masse mit gegensätzlichem Trend zusammen, beide abhängig von den intrinsischen Energiebandstrukturen. Die Gitterwärmeleitfähigkeit hängt von der Ausbreitung von Phononen ab, die einerseits durch Abschwächung der Gitterschwingung und andererseits durch Einführung von Strukturdefekten zur Streuung von Phononen verringert werden kann. Diese Defekte könnten aber auch den Transport von Ladungsträgern behindern, was die elektrische Leitfähigkeit verringert. Kurz gesagt, die Verbesserung von zT hängt von der räumlichen Dispersionsbeziehung von Elektronen und Phononen sowie der komplexen Manipulation von Strukturdefekten ab.
Die intrinsischen Eigenschaften von Materialien werden durch ihre konstituierenden Elemente und die chemischen Bindungen, die diese Atome verbinden, bestimmt. Es wurde gezeigt, dass viele Chalkogenide der Hauptgruppe eine einzigartige Kombination von Eigenschaften besitzen, darunter große elektronische und chemische Bindungspolarisierbarkeiten und eine starke Gitteranharmonizität usw. sowie ein abnormales Bindungsbruchverhalten[1,2]. Dieses besondere Eigenschaftsportfolio wird einem unkonventionellen chemischen Bindungsmechanismus zugeschrieben, der als metavalente Bindung (MVB) bezeichnet wird[1]. Diese von MVB geerbten Eigenschaften sind natürlich vorteilhaft für die verbesserten zT-Werte[3]. Daher sind die Entdeckung von MVB-Materialien und die Umwandlung von anderen Bindungsmechanismen zu MVB effiziente Methoden zur Entwicklung von Thermoelektrika mit intrinsisch hohem zT.
Neben der chemischen Bindung bieten strukturelle Defekte eine weitere Möglichkeit, den Transport von Elektronen und Phononen und damit den zT-Wert abzustimmen. Angesichts der unterschiedlichen mittleren freien Wege von Elektronen und Phononen in demselben Material könnten vernünftig gestaltete Defekte die Phononenstreuung selektiv verstärken, während die Übertragung von Elektronen erhalten bleibt. Obwohl die zT-Werte durch Einbringen von Strukturdefekten verbessert werden können, sind die genauen Mechanismen, die dieser Verbesserung zugrunde liegen, aufgrund der komplexen Mikrostrukturen und Zusammensetzungen von Defekten oft unklar. Die genaue Charakterisierung der atomaren Konfigurationen und chemischen Zusammensetzungen von Defekten ist von entscheidender Bedeutung, um die Beziehung zwischen Strukturen und Eigenschaften aufzuklären. Die thermoelektrischen Eigenschaften wiederum können durch Kontrolle der Strukturdefekte abgestimmt werden.
Unsere Gruppe zielt darauf ab, Hochleistungs-Thermoelektrika zu entwickeln, indem ihre chemischen Bindungsmechanismen und strukturellen Defekte mit fortschrittlichen Charakterisierungsmethoden charakterisiert werden, z. B. hauptsächlich Atomsondentomographie (APT) in Kombination mit Elektronenrückstreubeugung (EBSD) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Die von Wuttig et al.[4] entwickelte „Schatzkarte“ für chemische Bindungen und Materialeigenschaften. wird als Leitfaden zum Maßschneidern chemischer Bindungen und zum Entwerfen von Strukturdefekten wie der Löslichkeit von Dotierstoffen[5] verwendet.
Konkrete Forschungsthemen sind in der Abbildung zusammengefasst und nachfolgend aufgeführt:
1. Entwicklung von Hochleistungschalkogenid-Thermoelektrika durch Umwandlung von kovalent gebundenen Materialien in metavalent gebundene Legierungen.
2. Verbessern des Grades der Bandkonvergenz und Punktdefekt-Phononenstreuung durch Verbessern der Löslichkeit von Dotierungsmitteln, ermöglicht durch Mischen von metavalent gebundenen Systemen.
3. Verstärken der Phononenstreuung, während die Elektronenübertragung an den Korngrenzen erhalten bleibt, indem die Korngrenzenkomplexe abgestimmt werden.
4. Aufdecken des Ursprungs der Ladungsträgerstreuung an Korngrenzen durch Messen der Transporteigenschaften eines mikroskaligen Bikristalls und der strukturellen und chemischen Information derselben Korngrenze.
References:
[1] Wuttig et al., Incipient Metals: Functional Materials with a Unique Bonding Mechanism. Adv. Mater. 2018, 30, 1803777.
[2] Zhu et al., Unique bond breaking in crystalline phase change materials and the quest for metavalent bonding. Adv. Mater. 2018, 30, 1706735.
[3] Yu et al., Chalcogenide thermoelectrics empowered by an unconventional bonding mechanism. Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1904862.
[4] Raty et al., A quantum-mechanical map for bonding and properties in solids. Adv. Mater. 2019, 31, 1806280.
[5] Liu et al., Improved Solubility in Metavalently Bonded Solid Leads to Band Alignment, Ultralow Thermal Conductivity, and High Thermoelectric Performance in SnTe. Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2209980.