科创中国

成果简介：

热电材料是一种可实现热能和电能直接相互转换的新能源材料，在工业余热发电、航天电源、无线传感网节点免维护电源和固态制冷等领域具有重要的应用前景。自上世纪中期发现某些化合物半导体具有良好热电性能并能实现初步应用以来，世界各国研究者做了大量研究以进一步提高热电材料的性能。但受制于热电材料电声输运参数（Seebeck系数、电导率和热导率）之间的相互关联，热电材料性能在上世纪50年代以后的近半个世纪中一直没有得到明显改善。因此，电声输运参数的相对独立可调及其实现手段是本领域的关键科学问题。

本项目在国际上最早开展纳米复合块体热电材料的研究，围绕在块体热电材料中引入纳米尺度微结构这一原始创新设想开展了系统性工作，揭示了纳米复合热电材料中微结构和电声输运特性之间的关系，提出了纳米复合热电材料优化设计方法，发展了纳米复合热电材料的可控制备新方法和技术，并在一些典型纳米复合热电材料体系中获得了热电优值zT的突破。

主要功能与指标：

本项目主要创新性成果包括：

1、提出了纳米结构特征尺寸应小于特征波长（＜50nm）的“十纳米量级”纳米复合块体热电材料的思路，并通过实验证明，十纳米量级的微结构对电声输运具有显著的限域效应和界面效应，可实现电声输运参数的相对独立可调和热电材料性能的显著提高。该研究成果引领了本领域近十年来纳米复合块体热电材料的研究热潮。

2、提出了基于非平衡相分离及微区成分起伏为特征的热电材料原位纳米复合新思路，并通过理论和实验证明由此获得的热力学稳定、清洁界面、均匀分布的“十纳米量级”纳米复合组织对实现热电材料高电导率、低热导率要求的显著作用。基于该研究成果所制备的多种纳米复合材料性能达到国际同类材料的最好水平范畴。

3、提出了包括微米晶择优取向组织效应、纳米晶界面散射效应和原子尺度本征点缺陷效应的电声输运多尺度效应协同优化热电性能的新方法，提出了通过热塑性变形在块体热电材料中实现多尺度效应的新思路和实践方案，阐明了热变形过程中微观组织结构的动态演变规律及其原理，并揭示了热电材料中本征点缺陷的特征及其在热电输运中的角色。该研究成果为块体热电材料中电声输运调控提供了独立于化学组成的新途径，为优化热电材料性能提供了新的科学和技术基础。