硅鍺合金的熱電性能調控領域取得新進展

N型硅鍺合金是一類性能優異的高溫熱電材料，由它製成的放射性同位素熱電發電機RTG可以長時間有效地將放射性同位素（Pu）衰變產生的熱量轉化為電能，工作性能穩定而無需額外燃料和人工維護，滿足了航空航天器、衛星等設備在黑暗廣袤的太空中的各種儀器供電需求。硅鍺合金多應用於航天航空而很少出現在日常生活中，一個主要原因就是大量摻雜的鍺元素提高了材料成本；另一個原因是硅鍺合金的熱導率在5 W/mK以上，制約了其熱電轉換效率。如何利用低鍺組分的硅鍺合金實現同等甚至更為優異的熱電轉換應用，就需要考慮除了合金材料對聲子的質量散射以外其他的作用機理。

對此中國科學院深圳先進技術研究院博士隋帆與其合作者展開了關於低鍺組分的硅鍺合金材料的熱電性能調控相關的研究，通過快速的放電等離子燒結技術，保留硅鍺合金的微納結構以及合金母體中的異質納米顆粒，這種合成方法可以引入大量邊界散射，使得低鍺組分材料具有與RTG的高鍺合金一樣高效的熱電轉換效率。另外，該研究與美國噴氣推進實驗室（JPL）合作，利用合金材料這一優異的測試標樣對比了塞貝克係數的兩種現行主要測試方法：同軸法和異軸法，發現異軸法會在熱電偶局部造成「冷點效應」，使得高溫區域的塞貝克係數測量值明顯偏高，這也就意味著，現有的廣泛應用的異軸法測試提供了大量誤導性的文獻數據，引起學術界廣泛關注。論文以Influence of YbP on the thermoelectric properties of n-type P doped Si95Ge5alloy為題於近日發表在Journal of Alloys and Compounds期刊上。

硅材料往往具有較高的熱導率，合金體系通過鍺元素摻雜，可以提高對聲子的質量散射，降低熱導率，諸如RTG使用的硅鍺合金採用了20%的鍺摻雜量，最終實現1.3以上的zT值。在低鍺的Si95Ge5材料中，鍺原子不能造成足夠的質量散射來有效降低熱導率，隋帆利用一系列不同組分P和YbH2前驅物均勻分散到硅鍺合金的多晶粉末中，通過快速的放電等離子體燒結一步完成YbP異質顆粒的反應嵌合和材料的燒結。

通過對樣品系統表徵發現，1%低濃度摻雜的YbP組分可以降低材料的晶格熱導率，取得和RTG同等甚至高溫區域更優的熱電轉換效率。合金中團聚的納米顆粒會產生比同等數目的單個原子更強的散射，這是由於除了質量差異引起的散射，納米顆粒會有更明顯的彈性係數差異，對於聲子頻率的散射也受納米顆粒的半徑影響。該研究還發現，不同測量原理的塞貝克係數表徵會引起很大的偏差，這是由於在高溫區域需要準確獲得電極間的溫差和電壓差需要同軸法測量，才能避免異軸法在局部的溫差畸變。該研究對於硅鍺合金的熱導率調控提出了新的解決思路和實驗方案。

論文鏈接

圖1.樣品熱導率隨溫度的變化，在不增加鍺含量的前提下，YbP在合金中的摻雜有效降低了材料的晶格熱導率

圖圖2.研究對比的兩種不同的塞貝克係數測量原理: 左圖為異軸法測量，右圖為同軸法測量

來源：中國科學院深圳先進技術研究院

左圖為異軸法測量，右圖為同軸法測量

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