课题基金 / 基金详情

空间限域磁有序结构增强的高性能热电材料构筑及新输运机制研究

批准号:
52072234
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
张继业
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:
张继业

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
目前,基于晶格和电荷自由度的传统热电材料性能优化方法,往往受限于热电参数之间的相互制约关系,使得热电优值的进一步提高面临巨大困境,亟需在新尺度、新自由度下发展突破性的输运性能调控手段。本项目拟通过在热电材料体系中引入空间限域磁有序结构,并将其作为基本的功能单元,在保证体系载流子迁移率的同时,增加新的自旋及轨道自由度。研究磁性功能单元磁有序态、磁耦合强度、磁相变、内磁场以及形态、尺寸、分布等本征特性对热电材料载流子输运、声子传导及电-声子相互作用的影响规律及调控机制,设计和构筑出提升室温区热电材料转换性能的关键磁性功能单元。发展“自下而上”的制备方法,调控功能单元的空间分布,研究空间有序引发的磁性功能单元之间磁耦合、磁振子传输及其对热电性能的增强效应,发掘提升近室温区热电材料性能的新输运机制。充分释放体系的自旋和轨道自由度,实现热电参数的解耦合调控,取得热电转换效率的突破性进展。
英文摘要
At present, the traditional optimization approaches for thermoelectric materials based on lattice and charge degrees of freedom are often limited by the adverse dependence of thermoelectric parameters, which makes the further improvement of thermoelectric figure of merit facing great difficulties. Therefore, it is urgent to develop revolutionary regulation methods for transport properties under new scales and new degrees of freedom. This project is devoted to introduce spatially confined magnetic ordered structures into the thermoelectric material systems as functional units, which can introduce new spin and orbital degrees of freedom into the system without deteriorating the carrier mobility. The influence and regulation mechanism for intrinsic properties of the functional units, such as magnetic ordering states, magnetic coupling strength, magnetic phase transitions, internal magnetic fields, morphologies, sizes and distributions, on the carrier transport, phonon conduction and electron-phonon interaction in thermoelectric materials will be investigated. Key magnetic functional units that can improve the conversion efficiencies of room-temperature thermoelectric materials will be designed and constructed. Furthermore, this project will develop "bottom-up" preparation methods to regulate the spatial arrangement of the functional units, and study the magnetic coupling and propagation process of magnons between the magnetic functional units, as well as their enhancing effects on thermoelectric properties. New transport mechanisms to improve the performance of thermoelectric materials near room temperature will be discovered. Through full release of the spin and orbital degrees of freedom, the decoupled regulation of thermoelectric parameters will be realized, and breakthrough progress in thermoelectric conversion efficiency will be achieved.
创新的输运机制是热电材料研究的源泉,热电材料性能的突破性进展,需要变革性输运机制的提出。长期以来,热电材料的研究主要集中在晶格和电荷等自由度的调控上。本项目以空间限域性的磁有序结构作为基本的功能单元,在热电材料基体中引入新的自旋-轨道自由度,通过研究功能单元中磁有序状态及其形成一定空间有序分布后磁性功能单元之间的交换耦合作用对热电材料宏观性能影响的物理机制,探索低温区热电材料输运机制的新理论和新方法,实现热电材料电-热输运性能的解耦合调控。在此基础上,结合能带工程、声子工程等传统热电材料调控手段,力图取得室温热电材料性能的突破性进展。研究表明当磁性第二相与基体之间费米能级(功函数)具有合适的对齐方式时,分散在热电材料基体中的磁性第二相可以作为载流子(空穴或电子)注入单元,大幅提升基体的载流子浓度。更重要的是,与具有类似载流子浓度的均匀掺杂对应物相比,磁性第二相复合可以保持优异的载流子迁移率。磁性第二相的铁磁-顺磁相变可以增加体系的自旋熵、增大散射因子,提高Seebeck系数,证实了通过调控自旋和轨道自由度优化电输运性能的可行性。分散在基体中的磁性第二相增强了声子散射,大幅降低了体系的晶格热导率。此外,亚纳米厚度的磁性晶界层引入热电材料体系中,可以选择性散射载流子,提升基体材料的载流子迁移率和Seebeck系数,实现热电参数解耦调控。执行期间,项目组开发出了多个磁热电耦合型高性能热电材料体系,并在p型Bi0.5Sb1.5Te3体系中实现了1.4的最大zT值和1.15的平均zT值,在p型GeTe体系中实现了超过2.0的最大zT值,在同类体系中具有一定的优势。相关结果不仅深化了对热电材料基本物理机制的理解,更为设计和开发具有更高性能的热电材料提供了坚实的理论基础。
ZnO光催化还原CO2机理探索及高效催化剂结构设计与制备
  • 批准号:
    51472241
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    83.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    张继业
  • 依托单位:
国内基金
海外基金