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掺杂诱导Ca9Zn4+xSb9基Zintl相热电材料的结构演变与物性关联机制研究

批准号:
12074409
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
王玉梅
学科分类:
凝聚态物质结构、相变和晶格动力学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王玉梅

项目摘要

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中文摘要
在Ca9Zn4+xSb9基Zintl相热电材料的Ca位或者Zn位掺杂,掺杂一定量后会伴随材料晶体结构从正交到六方的转变,有效降低晶格热导率,显著提升热电性能。本项目从原子掺杂,晶体结构演变,以及电子结构入手,拓展性的将先进的球差矫正电子显微学技术,与高分辨像衬度分析和图像处理方法相结合,在原子分辨率水平解决Ca9Zn4+xSb9基Zintl相热电材料中与热电优值紧密相关的结构问题,理解该体系中特殊的掺杂效应、反常的电输运调控机制,建立晶体对称性转变和物性之间的关联,澄清结构演变的物理机制。同时改进研究方法,进一步发展和完善图像处理技术,使之有效地应用于Zintl相热电材料中,开创新的应用领域,促进原子分辨电子显微学的发展。
英文摘要
The crystal structure of Ca9Zn4+xSb9 based Zintl thermoelectric materials will change from orthogonal to hexagonal when doped on the Ca sites or Zn sites, which results in reducing the lattice thermal conductivity and significantly improving the thermoelectric performance. In this project, starting from atom doping, crystal structure evolution, and electronic structure, we will use the advanced spherical aberration corrected electron microscopy combined with the high-resolution image contrast analysis and image processing methods to solve the structural problems closely related to the thermoelectric performance enhancement in Ca9Zn4+xSb9 based Zintls at the atomic level, understand the special doping effect and abnormal regulation mechanism of electrical transport in this system, and establish the relationship between the symmetry transition and the physical properties to clarify the physical mechanism of the structural evolution due to different doping. At the same time, we will improve the research methods and further develop the image processing technology, which can be applied to study the Zintl phase thermoelectric materials and promote the development of the atomic-resolution electron microscopy.
Zintl相热电材料具备复杂晶体结构以及 “声子玻璃-电子晶体”特征,在高温热电发电领域极具应用潜力。通常合金化或者掺杂是优化材料热电性能最常见的手段,然而在这个过程中往往会伴随复杂的晶体结构转变,阐明结构转变对电热输运性能的影响对于进一步提高材料热电性能极其重要。本项目以9-4-9型Zintl相CaZnSb热电材料为主要研究对象,借助电子显微学等先进手段,阐明伴随材料热电性能提升的结构(包括晶体结构和电子结构)变化,澄清结构演变过程及物理机制,揭示微观结构与宏观物性的关联,为新型热电化合物以及器件的设计提供指导。重要研究结果如下:1) 随着Eu合金化的增加,在Ca9−yEuyZn4+δSb9 (y = 5.05)化合物中,我们发现了一个过渡态(新相),并在原子分辨率水平确定了其晶体结构(三方晶系R3 ̅m),化学式为(Ca, Eu)3Zn2Sb3。证明该相对9-4-9型Ca9Zn4.5Sb9(Pbam)到2-1-2型Eu2ZnSb2(P63/mmc)的结构转变起决定性作用。2) 利用X射线吸收谱(XAS)和电子能量损失谱(EELS)揭示了新相中存在Eu2+和Eu3+混合价态,与9-4-9相和2-1-2相的2价不同,Eu3+在Ca位等同于n型掺杂,降低了载流子浓度,增加泽贝克系数。同时,当Eu加入后,有效质量减小间隙Zn增加,连接了Zn4Sb9阴离子链,导致载流子迁移率增强, Ca3.95Eu5.05Zn4+δSb9在773 K时zT达到了0.97。3) 通过在 CaAgSb 的 Ag 位掺杂Zn ,在样品CaAg0.2Zn0.4Sb中实现了全温区超低晶格热导率~ 0.4 W m-1 K-1 。与 CaAgSb 相比, zT值得到提升。研究结果表明大量不同维度的缺陷在较大的频率范围内抑制了声子传输,结合理论计算阐明了声子散射机理。4) 阐明了Ag掺杂诱导的9-4-9型Ca9Zn4.5Sb9(Pbam)到1-1-1型CaAgSb(Pnma)的结构演变机理及其对热电性能的影响。发现了对称性为Pnma的新结构,该结构对CaZn(1-x)/2AgxSb由六方到正交结构转变起决定性作用,正交的CaAgSb中存在大量因Ca和Ag偏析引起的调制结构,使其在623 K时具有超低晶格热导率~ 0.3 W m-1 K-1。这些发现为理解和开发高性能热电材料提供了重要的科学依据。
19电子half-Heusler热电材料微结构与电声输运关联机制研究
  • 批准号:
    12374021
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    52.00万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    王玉梅
  • 依托单位:
先进电子显微学方法及其在半导体异质结构中的应用
  • 批准号:
    11474329
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    98.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    王玉梅
  • 依托单位:
铁基等新型超导材料的晶体结构与缺陷研究
  • 批准号:
    51102275
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    王玉梅
  • 依托单位:
国内基金
海外基金