熱鍛工藝結(jié)合缺陷調(diào)控大幅提升錳銻碲熱電性能

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熱電材料能夠直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能，在余熱回收、太空供電等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)中溫材料如碲化鉛（PbTe）和碲化鍺（GeTe）雖性能優(yōu)異，但高成本和毒性限制了其發(fā)展。近年來(lái)，錳銻碲（MnSb?Te?）因其獨(dú)te的層狀結(jié)構(gòu)和低熱導(dǎo)率嶄露頭角——其層間微弱的范德華力可有效抑制熱量傳遞，但載流子遷移率低（僅約2.7 cm2/Vs）導(dǎo)致電能轉(zhuǎn)化效率不足，成為制約其應(yīng)用的“卡脖子”難題。

微觀缺陷如何“拖累”性能？

熱電材料的性能由無(wú)量綱優(yōu)值ZT衡量，而ZT的提升需要同時(shí)優(yōu)化電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)并降低熱導(dǎo)率。MnSb?Te?的載流子遷移率低源于兩方面：其一，層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致載流子沿特定方向運(yùn)動(dòng)受阻；其二，材料內(nèi)部存在大量錳空位和碲空位形成的復(fù)合缺陷，加劇了電子散射。傳統(tǒng)摻雜和合金化手段往往顧此失彼，難以系統(tǒng)性提升遷移率。

熱鍛工藝重塑微觀世界

研究團(tuán)隊(duì)提出“熱鍛+缺陷調(diào)控”雙管齊下的解決方案。通過(guò)將材料置于高溫高壓環(huán)境（793K，200MPa）進(jìn)行熱鍛處理，成功實(shí)現(xiàn)了晶粒的定向排列。電子背散射衍射（EBSD）顯示，熱鍛后晶粒尺寸從50μm降至30μm以下，且沿[0001]方向高度有序。這種“微觀高速公路”使載流子遷移率提升300%，達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的15 cm2/Vs。

正電子湮沒(méi)測(cè)量揭示缺陷奧秘

為精準(zhǔn)解析缺陷演化，研究采用正電子湮沒(méi)譜儀（PAS）——這種技術(shù)如同微觀“探針”，通過(guò)捕捉正電子與材料中電子湮滅時(shí)釋放的γ射線特征，可識(shí)別空位缺陷類型與濃度。結(jié)果顯示，熱鍛過(guò)程中碲空位（V_Te）濃度顯著增加，其與錳空位形成的復(fù)合缺陷（V_Mn-V_Te）比例從1.08 ppm提升至15.4 ppm。有趣的是，碲空位的增加反而抑制了錳空位的負(fù)面影響，通過(guò)平衡電荷分布減少了載流子散射。

從實(shí)驗(yàn)室到應(yīng)用的跨越

優(yōu)化后的MnSb?Te?在773K時(shí)ZT值達(dá)1.3，平均ZT（323-773K）提升至0.7，較未處理樣品提高40%?；谠摬牧辖M裝的單腿器件在773K溫差下實(shí)現(xiàn)4.6%的發(fā)電效率，輸出功率密度達(dá)180 mW/cm2。這一性能已接近傳統(tǒng)PbTe器件水平，且材料無(wú)毒、成本更低，為工業(yè)余熱回收提供了新選擇。

國(guó)產(chǎn)儀器助力材料創(chuàng)新

本研究的關(guān)鍵測(cè)試設(shè)備——正電子湮沒(méi)譜儀，已由安徽核芯電子科技有限公司實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化突破。其DPLS-4000型譜儀時(shí)間分辨率≤190ps，可精準(zhǔn)檢測(cè)納米級(jí)缺陷；而DCDB-3000多普勒展寬譜儀峰谷比超3.6×10?，擅長(zhǎng)分析電子動(dòng)量分布。這些設(shè)備與論文中技術(shù)參數(shù)完quan匹配，為新材料研發(fā)提供了可靠工具。

開(kāi)啟熱電材料設(shè)計(jì)新范式

該研究不僅為MnSb?Te?的產(chǎn)業(yè)化鋪平道路，更開(kāi)創(chuàng)了“微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-缺陷工程”協(xié)同優(yōu)化的新策略。研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將探索該策略在硒化物、硅化物等體系中的普適性，并開(kāi)發(fā)適用于柔性器件的薄膜制備技術(shù)。隨著國(guó)產(chǎn)檢測(cè)儀器的精進(jìn)，我國(guó)在新能源材料領(lǐng)域正從“跟跑”向“領(lǐng)pao”轉(zhuǎn)變。