透過靜水壓對黃銅礦 AgXTe2 (X=In, Ga) 進行雙向優化以提升熱電效能

核心概念

透過施加靜水壓，可以調整 AgXTe2 (X=In, Ga) 的晶格失真，進而改變其聲子散射機制和電子結構，最終實現對其熱電效能的雙向優化。

摘要

書目資訊

Guo, S., Yue, J., Zheng, J., Zhang, H., Wang, N., Li, J., Liu, Y., & Cui, T. (2024). Bidirectional Optimization onto Thermoelectric Performance via Hydrostatic-Pressure in Chalcopyrite AgXTe2 (X=In, Ga). arXiv preprint arXiv:2411.00672v1.

研究目標

本研究旨在探討靜水壓對黃銅礦 AgXTe2 (X=In, Ga) 熱電效能的影響，並揭示其背後的物理機制。

研究方法

研究人員採用第一性原理計算結合玻爾茲曼輸運方程，系統地研究了 AgXTe2 (X=In, Ga) 在不同靜水壓下的晶格結構、聲子特性、電子結構和熱電效能。

主要發現

• 靜水壓會導致 AgXTe2 (X=In, Ga) 的晶格失真，但 AgInTe2 的晶格剛性較強，失真程度較小。
• 壓力誘導的低頻聲子軟化顯著增加了低頻三聲子散射通道，增強了聲學聲子和光學聲子之間的耦合，導致晶格熱導率急劇下降。
• 在高壓下，晶格失真與晶格熱導率之間的正相關關係不再成立。儘管 AgInTe2 在高壓下保持結構對稱性，但由於高壓誘導的非諧性增強，其晶格熱導率低於晶格失真程度更高的 AgGaTe2。
• 施加靜水壓後，AgInTe2 和 AgGaTe2 的熱電優值 (ZT) 均顯著提高。令人驚訝的是，AgInTe2 的最大 ZT 值增加了約 90%，而 AgGaTe2 的最大 ZT 值提高了約 27%。

主要結論

施加靜水壓可以有效地調節 AgXTe2 (X=In, Ga) 的晶格失真、聲子散射和電子結構，從而實現對其熱電效能的雙向優化。

研究意義

這項研究揭示了靜水壓對黃銅礦 AgXTe2 (X=In, Ga) 熱電效能的影響機制，為開發在極端條件下高效運行的下一代熱電器件提供了理論依據，並為能量收集和熱管理領域的新應用開闢了道路。

研究限制和未來方向

本研究主要基於理論計算，未來需要進一步的實驗驗證。此外，可以探索其他類型的壓力（如單軸壓力）對 AgXTe2 熱電效能的影響。

統計資料

AgInTe2 在 4 GPa 壓力下，ZT 值達到 3.31。
AgGaTe2 在 3.8 GPa 壓力下，ZT 值達到 2.44。
AgInTe2 的帶隙壓力係數為 45 meV/GPa。
AgGaTe2 的帶隙壓力係數為 71 meV/GPa。

引述

從以下內容提煉的關鍵洞見

Bidirectional Optimization onto Thermoelectric Performance via Hydrostatic-Pressure in Chalcopyrite AgXTe2 (X=In, Ga)

by Siqi Guo, Ji... 於 arxiv.org 11-04-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.00672.pdf

深入探究

除了靜水壓，還有哪些因素可以影響 AgXTe2 的熱電效能？

除了靜水壓，還有許多因素可以影響 AgXTe2 (X=In, Ga) 的熱電效能，主要可分為以下幾個方面：

成分工程:

摻雜: 通過在 AgXTe2 中摻雜其他元素 (例如 Cu, Zn, Sn 等)，可以調節載流子濃度、改變能帶結構，進而優化塞貝克係數和電導率。
固溶體: 形成 AgXTe2 基固溶體，例如 (AgIn)1-xGaxTe2，可以引入點缺陷和質量起伏，增強聲子散射，降低晶格熱導率。

微觀結構調控:

納米化: 將材料製備成納米晶或納米結構，可以增加聲子散射的界面，有效降低晶格熱導率。
多晶化: 通過控制材料的晶粒尺寸和晶界，可以增加聲子散射，降低晶格熱導率。

溫度: 溫度升高會導致載流子濃度增加，從而提高電導率，但同時也會加劇晶格振動，導致晶格熱導率上升。因此，需要在特定溫度範圍內尋找最佳的熱電性能。
缺陷工程: 通過引入點缺陷、位錯、層錯等缺陷，可以增強聲子散射，降低晶格熱導率。
總之，通過成分工程、微觀結構調控、溫度控制和缺陷工程等手段，可以有效地調節 AgXTe2 的塞貝克係數、電導率和熱導率，從而實現對其熱電性能的優化。

如何在實驗上實現對 AgXTe2 熱電效能的壓力調控？

在實驗上實現對 AgXTe2 熱電效能的壓力調控，主要利用高壓技術，常用的設備包括：

金刚石对顶砧 (Diamond Anvil Cell, DAC): 這是一種能够產生超高靜水壓的裝置，可以將樣品放置在兩個金刚石砧之間，通過施加外力壓縮樣品，最高可達數百 GPa 的壓力。
多砧压机 (Multi-Anvil Press): 這是一種能够產生較大體積高壓環境的裝置，適合合成和研究高壓相材料，壓力范围通常在几 GPa 到几十 GPa。
活塞圆筒装置 (Piston-Cylinder Apparatus): 這是一種能够產生中等壓力範圍 (通常在几 GPa 以内) 的裝置，操作相對簡單，成本較低。
在進行高壓實驗時，需要根據目標壓力範圍和樣品特性選擇合适的壓力裝置。同時，还需要選擇合适的傳壓介質，例如硅油、NaCl、氩气等，以保证压力环境的均匀性和稳定性。
在測量 AgXTe2 熱電性能時，需要將樣品放置在高壓裝置中，並连接相应的測量电路，例如四探针法測量電導率、塞貝克效應測量塞貝克係數等。通過改變壓力，可以研究 AgXTe2 熱電性能随压力的变化规律，从而揭示压力对材料结构和性能的影响机制。

這項研究的成果對其他類型的熱電材料有何啟示？

這項關於 AgXTe2 熱電性能在壓力調控下增强的研究，對其他類型的熱電材料研究具有以下幾點啟示：

壓力調控是一種普適的熱電性能優化策略: 該研究表明，即使像 AgGaTe2 這樣在常壓下已經具有優異熱電性能的材料，通過壓力調控仍然可以進一步提升其 ZT 值。這意味著壓力調控並非僅限於特定材料，而是一種具有普適性的熱電性能優化策略，可以應用於其他體系材料的研究。
關注聲子散射和電子結構變化: 研究揭示了壓力誘導的聲子軟化、聲子散射相空間擴展以及電子結構變化是 AgXTe2 熱電性能提升的關鍵。這表明在設計和優化其他熱電材料時，需要關注壓力對聲子散射和電子結構的影響，例如通過調控材料的晶體結構、缺陷濃度、能帶結構等，以實現熱電性能的提升。
探索高壓相的熱電性能: 該研究主要關注 AgXTe2 在其結構相變壓力點附近的熱電性能變化。這提示我們可以探索其他熱電材料在高壓下可能出現的新結構相，並研究其熱電性能，或許能發現具有更優異性能的熱電材料。
總之，這項研究為其他類型熱電材料的研究提供了新的思路和方向，例如可以借鉴该研究的思路，探索压力对其他类型热电材料（如硫化物、氧化物、籠状化合物等）的影响，并结合成分工程、微观结构调控等手段，开发性能更加优异的新型热電材料。