Na/Sr共掺协同优化BaZn2Sb2热电性能

锑基Zintl相笼状化合物BaZn₂Sb₂是正交晶系BaCu₂Te₂型晶体结构，空间群为Pnma。在它的结构中，Zn原子和Sb原子以共价键结合，构成三维网状结构，Ba原子以离子键的形式嵌入网格空位中。由于共价键结合的Zn原子和Sb原子电负性比较接近，能够提供较大的载流子迁移率；Ba原子质量大且单胞结构复杂，能有效的散射声子，降低晶格热导率。这样的晶体结构符合1995年Slack提出的“电子晶体，声子玻璃”概念，是一种潜在热电材料。但对该化合物热电性能的优化方面还未见文献完整系统地报道。

近日，上海大学材料科学与工程学院赵景泰教授（点击查看介绍）课题组报道了通过Na/Sr共掺的方法优化BaZn₂Sb₂材料的热电性能。他们用固相反应和真空热压的方法制备了BaZn₂Sb₂基化合物并研究了其热电性能。研究发现，Na作为受体掺杂，以Na⁺替代了Ba²⁺，使得空穴载流子浓度提高了一个数量级，从而电导率增大，Seebeck系数稍有降低，由此计算的功率因子最大可达10.46μWcm^-1K^-2(Ba_0.94Na_0.06Zn₂Sb₂)，几乎是未掺杂BaZn₂Sb₂的两倍(5.39μWcm^-1K^-2)。同时，Sr²⁺替代Ba²⁺，晶格常数降低，并会产生强烈的点缺陷散射，从而有效的降低晶格热导率；另外，化合物中存在的少量BaO和SrO等第二相杂质可以增强晶粒边界声子散射，也可以降低晶格热导率。因此，Na/Sr共掺后可以同时提高功率因子，降低热导率，最终在Ba_0.92Na_0.06Sr_0.02Zn₂Sb₂样品中热电性能达到最优(704K下，ZT=0.58)。与未掺杂BaZn₂Sb₂化合物相比(675K下，ZT=0.31)，掺杂后样品的ZT值提高了87%，这是目前为止关于BaZn₂Sb₂系统报道的最大值。

该研究成果在JMCA (Journal of Material Chemistry A)杂志上报道，第一作者是研究生闫瑞娟。

该研究工作得到了国家自然科学基金和上海市青年东方学者计划的大力支持。

该论文作者为：Ruijuan Yan, Wanyu Lv, Ke Wang, Kai Guo, Xinxin Yang, Jun Luo, Jing-tai Zhao

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2016/TA/C6TA03012B

Enhanced thermoelectric properties of BaZn₂Sb₂via a synergistic optimization strategy using co-doped Na and Sr

J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 12119-12125, DOI: 10.1039/C6TA03012B

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