Cu2X固溶化合物纳米-亚纳尺度的结构化学和反Hume-Rothery现象及其关联电-热输运性质
批准号:
52072388
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
许钫钫
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
许钫钫
中文摘要
固溶是提高热电性能的一个非常有效的手段,通过固溶可以增加结构的混乱度以增强声子散射降低热导。阴离子固溶的Cu2X (X=S, Se, Te)硫族化合物可获得高达2.1-2.3的热电优值,同时表现出丰富的特征纳米结构甚至异常的固溶现象,然而这些微观结构的形成原因以及与声子和电子输运特性的关联尚不清楚,限制了热电性能的进一步调控和优化。本申请项目主要利用原子分辨球差校正电镜及其辅助高性能能谱技术,以Cu2X基热电固溶体为主要研究对象,深入研究新发现的离子半径巨大差异的S和Te实现固溶的反Hume-Rothery现象,探讨阴离子和阳离子亚晶格的构筑方式和热力学稳定机制,分析纳米-亚纳尺度下的元素波动和结构涨落及其与固溶配比和晶体结构的内在关系,最终确立新型反Hume-Rothery固溶结构的构筑原则,探讨结构和微结构与材料电-热输运性能的关联,为新型高性能热电固溶体的设计和性能优化提供科学依据。
英文摘要
Forming solid solution has been confirmed to be an effective way to enhance the thermoelectric properties via introducing structural chaos to increase phonon scattering and decrease lattice thermal conductivity. Solid solutions of Cu2X (X=S, Se, Te) chalcogenides have shown outstanding thermoelectric performance with figure of merit zT up to 2.1-2.3. The solid solutions exhibit special nanostructures and abnormal solid solution phenomenon. However, the formation mechanism and effects on phonon and electron transports of these structural features remain unclear, which limits the further optimization of the thermoelectric properties. In this project, we will use mainly the atom-resolved aberration corrected transmission electron microscope along with advanced spectroscopies and in-situ techniques to investigate key structural issues in Cu2X (X=S, Se, Te) thermoelectric solid solutions, especially those of anti-Hume-Rothery rules, i.e. newly observed miscibility of S and Te with large mismatch in ionic radius. Researches will focus on the solid solution structures including configuration of both cation and anion sublattice, thermodynamic stability, and compositional and structural oscillation in nano and subnano scales. The researches are finally expected to establish the construction rules for novel compound solid solutions of anti-Hume-Rothery rules and relationships between crystal structures/nanostructures and thermoelectric properties in Cu2X solid solutions. The research results will provide scientific guidance for design and property improvement of high performance thermoelectric solid solutions.
热电转换技术可以实现热能和电能之间的直接相互转化,而固溶被发现是提高热电性能的一个非常有效的手段,阴离子固溶的Cu2X (X=S, Se, Te)硫族化合物可获得高达2.1-2.3的热电优值,同时表现出丰富的但仍未解的特征纳米结构甚至异常固溶现象,于是本项目主要利用原子分辨球差校正电镜,深入研究并揭示了原子大失配Cu2TexS1-x反Hume-Rothery法则固溶体的固溶结构、构筑原则、热力学稳定机制和构效关系;Cu2(S,Te)和Cu2(S,Se)中纳米-亚纳尺度的结构化学;Cu空位增强Cu2-y(S,Se)使役稳定性的微观机制;以及其它反Hume-Rothery法则热电固溶体系的结构特征。我们发现,原子尺寸大失配固溶体是一种熵稳定的固溶结构,固溶的S-Te阴离子形成高对称性的密堆六方亚晶格,提供尺寸较小的Cu离子进行结构弛豫的更充分空间,随着S固溶量的增大,发生Cu的无序甚至非晶化,大幅度增大熵,降低吉布斯自由能,实现单相固溶结构的热力学稳定。Cu2X固溶体系中包含丰富而独特的纳米-亚纳尺度的结构化学,我们发现并解析了Cu2(S,Te)中S和Te各自的化学短程序结构以及Cu2(S,Se)中贫Cu特征面缺陷结构。我们自主设计和构建了透射电镜准原位电场表征技术,发现含Cu空位的Cu2-y(S,Se)可以通过电场诱导的Cu空位迁移和有序化来滋生和发育特征面缺陷,在Cu析出的情况下仍能稳定S-Se阴离子于材料结构中,增强了材料的使役稳定性。最后通过不同大失配固溶体系的对比研究,我们发现,是否以及如何固溶半径大失配原子将取决于多重因素,包括结构对称性、亚晶格特性、原子占位数量和弛豫空间、原子电负性、化学键特性和键长等,而固溶的同时也会因局域热力学机制引入不同的微结构或缺陷(有利于降低热导),这表明原子大失配反Hume-Rothery固溶是提高热电性能的一个很有效的策略。
Cu2X固溶化合物纳米-亚纳尺度的结构化学和反Hume-Rothery现象及其关联电-热输运性质
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:58万元
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批准年份:2020
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负责人:许钫钫
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依托单位:
Cu2X基热电材料反常电-热输运的微观机制研究
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批准号:51672296
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项目类别:面上项目
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资助金额:62.0万元
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批准年份:2016
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负责人:许钫钫
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依托单位:
基于提高稀土掺杂SiAlON荧光材料发光效率的微结构调控研究
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批准号:51272270
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项目类别:面上项目
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资助金额:80.0万元
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批准年份:2012
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负责人:许钫钫
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依托单位:
纳米螺旋锥管结构与性能实时观测和研究
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批准号:50452002
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项目类别:专项基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2004
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负责人:许钫钫
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依托单位:
国内基金
海外基金