前沿透视：非均质复合材料 - 探寻打开能量过滤理论大门的钥匙学术资讯

来源：今日新材料

热电发电装置在新能源汽车、柔性可穿戴设备领域有重大潜力。然而，现有热电材料性能有待进一步提高。能量过滤（energy filtering）机理其核心价值是打破参数间的负相关性，在不影响电导率的情况下有效提升赛贝克系数，从而大幅提升材料功率因子（s2σ）。然而，至今为止基于能量过滤理论的探索并未取得实质性的突破，主要原因是过滤电子的能量势垒造成的负面效应抵消了其正面贡献。值得注意的是，在以往大量的文献报道中，虽然各界广泛认可由于引入能量势垒（例如制造晶界），在宏观上会使材料成为一种非均质“复合材料”，然后绝大多数能量过滤的设计和分析却采用基于均质材料的理论。理论和实验中存在的失配问题可能是困扰领域发展的重要因素之一。

近日，由英国剑桥大学（林悦博士，郗凯博士），澳大利亚莫纳什大学（Anna N. Mortazavi博士），美国哈佛大学(David Clarke教授)，美国西北大学（Mercouri G Kanatzidis教授，Mark Hersam教授，Jeffrey Snyder教授），组成的团队从非均质“复合材料“的角度对能量过滤理论进行了解析，并提出体现能量过滤优势效应的关键参数“界面赛贝克系数“。在n型Mg3Sb2及其与石墨烯的杂化材料中，团队发现了类似能量过滤的现象，表现为在材料载流子浓度不变的情况下，材料的赛贝克系数有明显的提升。不同于以往的均质理论，团队从含有晶相和晶界相的非均质材料角度建立模型，对实验结果进行分析。团队提出能量过滤效应主要集中于晶界相中，带来晶界相的“界面塞贝克系数”的显著提升。在此基础上，团队揭示了性能突破的关键：提高界面塞贝克系数在整体材料塞贝克系数中的比重。最终在不改变材料载流子浓度的情况下，团队通过界面工程将n型Mg3Sb2的峰值热电性能提高了40%，在750K左右达到1.7。团队希望该工作能够进一步激发各界对宏观材料中界面及其精细控制工程技术的探索和研究。

文献链接：

Expression of Interfacial Seebeck Coefficient through Grain Boundary Engineering with Multi-Layer Graphene Nanoplatelets, Energy & Enviromental Science, 2020

文献配图：

来源：gh_d06fa4463e84 今日新材料

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