荣登《Science》！浪声科学XRD在高性能热电材料研发中的应用

研究背景

热电材料的核心使命:实现热能与电能之间的直接、可逆转换。其应用场景包括：

发电:利用工业废热、汽车尾气废热、甚至人体体温差进行发电（温差发电）。

制冷:用于精密仪器冷却、局部温控（固态制冷），具有无振动、无噪音、体积小的优点。

近日，由北京航空航天大学赵立东教授团队联合太原科技大学在热电材料领域取得重大进展。此次研究拓宽了硒化锡（SnSe）晶体高温Cmcm相的稳定温度区间，实现了对N型SnSe晶体Cmcm相的晶格对称性调控与“二维声子/三维电荷”输运特性的显著优化，成功将N型SnSe晶体ZT~3的卓越热电性能从单个温度点扩展至250℃的宽温域范围（ZTave~3），并获得了约19.1%的单臂发电效率，证明了N型SnSe晶体在温差发电领域的巨大潜力，为构建全SnSe基温差发电器件打下坚实基础。

创新性策略:

1.热电发电需要在宽温度范围内具有高无量纲优值ZT。二维声子和三维电荷输运使得n型-Pnma锡硒化物（SnSe）晶体在748开尔文时展现出约3.0的ZT峰值。本研究聚焦于高对称性Cmcm相，以增强二维声子和三维电荷输运，并扩展高性能（ZT~3.0）平台。通过同时拓宽Cmcm相稳定窗口并通过铅合金化增强晶格对称性，我们将高性能从单一温度点扩展到约250开尔文的宽温度范围，该范围在氯掺杂形成的类岩盐Cmcm SnSe晶体中呈现n型特性。在673至923开尔文之间实现了约3.0的平均ZT，温度差约572开尔文时的转换效率约为19.1%。

2.“晶格对称性工程”:通过高浓度Pb合金化（23%），不仅降低了相变温度，更重要的是改变了Cmcm相的局部晶格对称性，使其更接近对称性更高的“类岩盐结构”。

3.协同优化机理创新性应对策略低了形变势，削弱了声子对载流子的散射，从而在载流子浓度大幅提升的情况下，依然维持甚至提高了高温迁移率（解决了高温散射强的痛点）。同时，能带结构被调控，提升了态密度有效质量，补偿了因载流子增加导致的塞贝克系数下降。热学上：Pb合金化引起键的软化，进一步降低了晶格热导率。

4.革命性成果:最终，在Sn0.77Pb0.23Se0.95Cl0.05材料中，将平均ZT ~3.0的优异性能平台从673K延伸至923K，跨度达250K，并实现了19.1%的超高转换效率。

材料性能表征

图片描述:通过增强二维声子和三维电荷传输，Cmcm SnSe晶体在宽温度范围内具有高热电性能。

图片描述:673至923K温度范围内SnSe0.95Cl0.05与Sn0.77Pb0.23Se0.95Cl0.05沿面外方向的电输运特性及能带结构。

材料XRD表征

图片描述:SnSe1-xClx的粉末X射线衍射图谱

图片描述:粉末样品的X射线衍射结果(A) Sn1-xPbxSe0.95Cl0.05的粉末X射线衍射图谱(B) Sn1-xPbxSe0.95Cl0.05的计算晶格参数

赋能科研创新

此次FRINGE系列X射线衍射仪参与到《Science》级研究成果的诞生，不仅印证了浪声科学在高端分析仪器领域的技术实力，更标志着中国自主研发的科学仪器已达到国际较高水平。从晶体结构解析到物相定量分析的全流程中，浪声科学XRD凭借其卓越的稳定性和精准度，成为了科学家探索未知、产出世界级成果的得力助手。