硫属化合物半导体热电材料的电热输运协同调控

热电材料作为一种新型的清洁能源材料,能够直接实现热能和电能之间相互转换,有望为提高能源的利用率、缓解环境污染问题提供一种综合协调的选择,因此在能源危机越来越严重的21世纪,热电材料的研究引起了各国研究者的广泛兴趣。然而,电热输运的协同调制一直是一个历史性的难题。硫属化合物半导体作为最重要的一类热电材料,近年来其电热输运性质的协同调控受到了广泛的关注。本文综述了硫属化合物半导体热电材料在电热输运协同调控方面所取得的最新研究进展,分析了其电热输运协同调控及热电性能优化的内在物理机制,并展望这些新的调控策略在热电材料发展的应用前景。     

镱硫属化合物的密度泛函理论研究

用密度泛函理论(DFT)研究镱硫属化合物的电子结构和性质,通过与实验比较考察了现有的几种近似密度泛函公式对镧系元素化合物的适用程度和相对论效应的影响.结果表明,用DFT计算的YbO键长对实验值的偏差约为0.002nm;但得到的键能即使在考虑梯度校正和相对论效应之后,仍比实验值高,在定域密度近似基础上引入交换梯度校正使键能计算值减小,其中PW86x使键能计算值减小稍多些,结果更接近实验值;相关梯度校正使键能计算值升高.相对论效应使键长缩短0.004～0.006nm,键能减小约0.5eV.计算结果的分析表明,Yb的5d轨道和配体的np轨道间形成σ键和π键.在所研究的分子体系中,配体原子从O到Te、Yb原子的5d轨道布后数依次减少,同键能减弱的顺序一致.相对论效应使键能减小的主要原因是在成键过程中发生了Yb的6s电子向5d轨道的转移,而相对论效应使该过程能量增加.偶极矩和电荷分布的计算表明,Yb-L键以共价性为主,相对论效应使共价性成份增加.     

氧化物直接转化法制备汞的硫属化合物纳米材料

以低毒性的HgO与S,Se,Te单质为原料,乙二胺为溶剂,在室温下合成了汞的硫属化合物纳米材料HgS,HgSe和HgTe,并通过XRD,TEM和XPS对产物进行了表征.结果表明,所合成的产物为六方相α-HgS和立方闪锌矿结构的HgSe和HgTe,且纯度高,粒度分布均匀.对反应的机理进行了初步探讨.     

链状结构IVB和VB金属硫属化合物的结构化学

总结了我们此前开展链状结构前过渡金属硫属化合物结构研究的结果。按照结构特征 ,分类讨论了 1 2个链状化合物的晶体结构、电子结构和物性。化合物M4O (Te2 ) 4I4Te(M =Ti,Ta)具有绝缘体性质 ,其结构由M4OTe10 I4氧心四核簇通过共用Te原子连接而成的 [M4OTe9I4]链组成 ;化合物 (MQ4) nG(M =Nb ,Ta;Q =Se,Te ;G =I,In ,Sb)具有半导体性质 ,其结构由 [M (Q2 ) 2 ]1∞ 链组成 ,链间插入G原子 ;化合物 (MTe4) nIn -2 (TaI6 ) (M =Nb ,Ta;n =4、6 )的结构由 [M (Te2 ) 2 ]1∞ 链、分立的TaI6基团和I原子组成 ,它们具有良好的导电性。     

二维过渡金属硫属化合物的大面积制备与应用研究进展

二维过渡金属硫属化合物(TMDs)因具有可调带隙、 谷电子学性质和高催化活性等优点, 在电子学、 光电子学和能源相关领域受到广泛关注. 为了实现以上应用, 实现大面积、 厚度均匀TMDs薄膜的批量制备至关重要. 化学气相沉积法(CVD)是制备大面积均匀、 高质量二维材料普遍使用的方法. 本文从前驱体的供给和衬底的设计两个角度, 总结了目前合成大面积TMDs薄膜的CVD方法, 并讨论了高质量TMDs的生长机制和参数优化方法; 介绍了高质量TMDs在电子学、 光电子学和电/光催化等方面的应用; 讨论了目前合成大面积均匀、 高质量TMDs所面临的挑战, 并对该领域的发展方向进行了展望.     

准二维金属硫属化合物类石墨烯结构的化学合成与组装

无机类石墨烯属于准二维纳米结构体系,因其具有比纯碳石墨烯本身更多的调控参数,比如带隙类型及其带隙宽度可调节等,在电子器件构筑和能量转化存储等领域有着重要的科学意义和广阔的应用前景．近年来,具有准二维特征的金属硫属化合物（metalchalcogenides,MCs）作为类石墨烯结构的重要材料体系受到了广泛关注．本文概述了近年来金属硫属化合物类石墨烯结构的化学制备方法及其可能的组装应用,提出了通过系列方法影响层间作用力及利用晶体各向异性等材料设计与合成策略来实现类石墨烯的化学合成,并展望了类石墨烯的组装结构在能量存储与智能传感领域的应用前景．     

导电聚合物热电材料研究进展

导电聚合物在室温下具有较高的电导率(σ)、较低的热导率(κ)、柔韧性好、易于合成、原料来源丰富、对环境无污染等优势,是目前最具有热电应用潜力的有机热电材料之一。然而,目前针对导电聚合物作为有机热电材料的相关研究依然处于初级阶段,其在空气气氛中的化学稳定性问题、低的热电优值及尚未完全明确的热电机制一直困扰着研究人员。本文主要针对以上问题,在对前人的研究成果进行综述的基础上对目前有机热电材料所面临的关键问题进行阐述和总结。     

四元硫属化合物La_2CuBiS_5的合成、结构及光学性能研究（英文）

通过高温固相反应合成了首例镧系-过渡金属-铋-四元硫属化合物:La2CuBiS5。该化合物属于正交晶系,空间群:Pnma。其结构含有沿b方向的一维[BiCuS56-]∞带,带与带之间被La3+离子隔开。一维[BiCuS56-]∞带由[CuS4]四面体双链与BiS6八面体单链通过公顶点连接而成。漫反射光谱研究表明该化合物为半导体,能隙1.30 eV。理论研究表明其为直接半导体,光学能隙跃迁来源于S3p到La5d轨道的电子迁移。     

铝离子电池中过渡金属硫族化合物正极材料

作为铝离子电池(AIBs)的正极材料,过渡金属硫族化合物(MX₂ (X=S、Se、Te))具有理论比容量较高和电负性较低等优点,在铝离子电池应用领域极具发展前景。本文以提高过渡金属硫族化合物的储铝性能为目的,综述了过渡金属硫族化合物(MX₂ (X=S、Se、Te))的储铝机理及其电化学性能的关系,并针对目前过渡金属硫族化合物存在的问题,总结研究者们提出的相应解决方案并归纳此类材料的主要改性技术手段。最后,对过渡金属硫族化合物正极材料的发展方向进行展望,并探讨改善其整体电化学性能的可行策略。     

四元硫属化合物 La2CuBiS5 的合成、结构及光学性能研究

通过高温固相反应合成了首例镧系-过渡金属-铋-四元硫属化合物:La2CuBiS5。该化合物属于正交晶系,空间群:Pnma。其结构含有沿b方向的一维[BiCuS56-]∞带,带与带之间被La3+离子隔开。一维[BiCuS56-]∞带由[CuS4]四面体双链与BiS6八面体单链通过公顶点连接而成。漫反射光谱研究表明该化合物为半导体,能隙1.30 eV。理论研究表明其为直接半导体,光学能隙跃迁来源于S3p到La5d轨道的电子迁移。     

New and Old Concepts in Thermoelectric Materials

Herein we cover the key concepts in the field of thermoelectric materials research, present the current understanding, and show the latest developments. Current research is aimed at increasing the thermoelectric figure of merit (ZT) by maximizing the power factor and/or minimizing the thermal conductivity. Attempts at maximizing the power factor include the development of new materials, optimization of existing materials by doping, and the exploration of nanoscale materials. The minimization of the thermal conductivity can come through solid‐solution alloying, use of materials with intrinsically low thermal conductivity, and nanostructuring. Herein we describe the most promising bulk materials with emphasis on results from the last decade. Single‐phase bulk materials are discussed in terms of chemistry, crystal structure, physical properties, and optimization of thermoelectric performance. The new opportunities for enhanced performance bulk nanostructured composite materials are examined and a look into the not so distant future is attempted.     

Recent Advances in Layered Metal Chalcogenides as Superconductors and Thermoelectric Materials: Fe‐Based and Bi‐Based Chalcogenides

Recent advances in layered (Fe‐based and Bi‐based) chalcogenides as superconductors or functional materials are reviewed. The Fe–chalcogenide (FeCh) family are the simplest Fe‐based high‐T_c superconductors. The superconductivity in the FeCh family is sensitive to external or chemical pressure, and high T_c is attained when the local structure (anion height) is optimized. The Bi–chalcogenide (BiCh₂) family are a new group of layered superconductors with a wide variety of stacking structures. Their physical properties are also sensitive to external or chemical pressure. Recently, we revealed that the emergence of superconductivity and the T_c in this family correlate with the in‐plane chemical pressure. Since the flexibility of crystal structure and electronic states are an advantage of the BiCh₂ family for designing functionalities, I briefly review recent developments in this family as not only superconductors but also other functional materials.

     

石墨烯在复合热电材料中的应用

热电材料是一种可以实现热能与电能之间直接相互转换的功能材料,在温差发电和热电制冷方面具有广阔的应用空间。石墨烯是一种单原子层厚度的二维碳材料,具有特殊的晶体结构和优异的物理化学性质。大量研究表明石墨烯优异的电学性能、超大的比表面积以及多样的边界结构有利于材料电、热性能的协同调控,使其在热电领域有较大的应用潜力。本文结合热电材料的性能特点,从石墨烯的结构与性能入手,综述了石墨烯自身作为热电材料时结构与性能的优化关系,并总结归纳了石墨烯与Bi₂Te₃、CoSb₃等传统无机热电材料以及与导电高分子热电材料构成纳米复合块体和薄膜时,对材料结构与热电性能的影响,并结合现存的问题对石墨烯在热电领域中的应用进行了展望。     

All‐Inorganic Nanocrystals as a Glue for BiSbTe Grains: Design of Interfaces in Mesostructured Thermoelectric Materials

Nano‐ and mesostructuring is widely used in thermoelectric (TE) materials. It introduces numerous interfaces and grain boundaries that scatter phonons and decrease thermal conductivity. A new approach has been developed for the rational design of the interfaces in TE materials by using all‐inorganic nanocrystals (NCs) that serve as a “glue” for mesoscopic grains. For example, circa 10 nm Bi NCs capped with (N₂H₅)₄Sb₂Te₇ chalcogenidometallate ligands can be used as an additive to BiSbTe particles. During heat treatment, NCs fill up the voids between particles and act as a “glue”, joining grains in hot‐pressed pellets or solution‐processed films. The chemical design of NC glue allowed the selective enhancement or decrease of the majority‐carrier concentration near the grain boundaries, and thus resulted in doped or de‐doped interfaces in granular TE material. Chemically engineered interfaces can be used as to optimize power factor and thermal conductivity.     

温差电量子效应及低维温差电材料

介绍了温差电的基本原理和影响温差电性能的因素以及低维温差电材料的量子效应和理论模型。有计算表明,低维温差电材料随着维度和尺度的降低,温差电性能将得到显著提高,展现了低维温差电材料的广泛应用前景。     

柔性复合热电材料及器件的研究进展

热电材料能够将热能与电能直接相互转化,在废热回收及绿色制冷领域中具有巨大的应用潜力。相比无机块体热电材料,柔性热电材料具有可弯折、体积小、质量轻等优点,还适用于制备可穿戴电子设备。近10年来,基于导电高分子、碳材料和无机纳米材料等的柔性复合热电材料及器件逐渐成为炙手可热的研究领域,受到了业内广泛的关注。本文综述了近年来基于不同材料体系的柔性热电材料及器件的研究进展、存在的亟待解决的问题和未来的发展方向。大量研究结果表明,材料的热电性能可以通过化学合成和分子设计战略、形貌控制及掺杂技术等进行有效的调控。研发满足实际应用需要的先进柔性热电材料仍然极具挑战性。     

Mechanochemistry for Energy Materials: Impact of High-Energy Milling on Chemical,Electric and Thermal Transport Properties of Chalcopyrite CuFeS2 Nanoparticles

Chalcopyrite CuFeS₂, a semiconductor with applications in chemical sector and energy conversion engineering, was synthetized in a planetary mill from elemental precursors. The synthesis is environmentally friendly, waste-free and inexpensive. The synthesized nano-powders were characterized by XRD, SEM, EDX, BET and UV/Vis techniques, tests of chemical reactivity and, namely, thermoelectric performance of sintered ceramics followed. The crystallite size of ∼13 nm and the strain of ∼17 were calculated for CuFeS₂ powders milled for 60, 120, 180 and 240 min, respectively. The evolution of characteristic band gaps, Eg, and the rate constant of leaching, k, of nano-powders are corroborated by the universal evolution of the parameter S_BET/X (S_BET-specific surface area, X-crystallinity) introduced for complex characterization of mechanochemically activated solids in various fields such as chemical engineering and/or energy conversion. The focus on non-doped semiconducting CuFeS₂ enabled to assess the role of impurities, which critically and often negatively influence the thermoelectric properties.     

基于热电材料的新型传感器研究进展

传感器作为现代智能工业的核心部件之一,凭借其优良的性能,越来越受到关注.本文总结了热电材料在传感器应用方面的研究成果,特别是硅基、碳基、铅基、碲基、贵金属类、有机类以及催化类的热电材料对传感器高灵敏度、高响应值、高稳定性等方面的影响.已有研究表明,通过在微米纳米尺度合成及加工所形成的低维微纳结构的热电材料,能够获得高ZT值和更高的热电性能.这一特性与传感器微型化方向发展一致.低维微纳结构的热电材料未来必将能够拓展传感器的特性和适用领域,促进传感器朝着高精尖模式的发展.