哈工大研究成果為熱電制冷性能優(yōu)化提供新思路

　　近日，哈工大材料學(xué)院隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學(xué)、中科院物理研究所組成的研究團(tuán)隊(duì)首次利用超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)的鎂銀銻（MgAgSb）基熱電材料制備了高性能熱電制冷器件，為熱電制冷性能優(yōu)化提供了新思路。研究成果以《超細(xì)晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能》（Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials）為題發(fā)表在《今日材料》（Materials Today）上。

　　A：燒結(jié)溫度對(duì)樣品組織結(jié)構(gòu)的影響示意圖，B：超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)對(duì)MgAgSb晶格熱導(dǎo)率的降低效果，C：超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)MgAgSb與其他方式優(yōu)化MgAgSb材料的熱電優(yōu)值對(duì)比，D：制備的熱電制冷器件與目前最先進(jìn)制冷器件的最大溫差對(duì)比，E：制備的熱電制冷器件與目前最先進(jìn)制冷器件的最大COP對(duì)比。

　　固態(tài)熱電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間的直接相互轉(zhuǎn)換，在航天探測(cè)器以及微型電子器件精準(zhǔn)控溫等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。在熱電材料研究領(lǐng)域，常通過構(gòu)建納米尺度的晶?；蛘叨嗫捉Y(jié)構(gòu)來有效降低材料晶格熱導(dǎo)率，從而提升材料的熱電性能。然而在實(shí)際應(yīng)用中，具有納米尺度晶粒的材料在高溫環(huán)境服役過程中，面臨著晶粒長(zhǎng)大乃至蠕變的問題，從而導(dǎo)致材料性能衰減乃至器件失效；而材料中的多孔結(jié)構(gòu)也會(huì)影響載流子輸運(yùn)，有可能導(dǎo)致材料電性能的下降。截至目前，這仍然是熱電領(lǐng)域極為重要的兩個(gè)科學(xué)問題。

　　制備的熱電制冷器件

　　研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合高能球磨合金化和熱壓燒結(jié)，在MgAgSb熱電材料中同時(shí)構(gòu)建了超細(xì)納米晶（平均晶粒約為93nm）和多尺度納米孔洞兩種缺陷結(jié)構(gòu)，獲得了接近MgAgSb材料非晶極限的晶格熱導(dǎo)率和超過目前所有MgAgSb基材料的熱電優(yōu)值。與高性能的n型Mg3.2（Bi, Sb）2熱電材料組成的熱電器件的制冷性能超過了先前報(bào)道的非Bi2Te3熱電器件的性能。該研究創(chuàng)新性地將細(xì)晶結(jié)構(gòu)和納米多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用到熱電制冷器件中，顯著提升了制冷性能并避免了材料性能的高溫衰減。

　　哈工大隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學(xué)武海軍教授為論文共同通訊作者，哈工大博士生謝亮軍和西安交通大學(xué)碩士生劉子雨、中科院物理研究所博士生楊佳煒為共同第一作者。哈工大博士生曲諾、董行嚴(yán)、朱建博、師文靜，碩士生吳昊，郭逢凱博士和蔡偉教授，西安交通大學(xué)碩士生彭古揚(yáng)和張揚(yáng)高級(jí)工程師，中科院物理研究所趙懷周研究員和朱航天副研究員參與了相關(guān)研究工作。

　　該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目和哈工大青年拔尖人才計(jì)劃項(xiàng)目的支持。