近日，材料科学与工程学院教授张倩及其课题组在新型热电材料的开发上取得重大进展，研究成果发表于国际著名期刊《美国科学院院刊》（Proc. Natl. Acad. Sci. USA）（影响因子：9.504），论文题目为“Zintl Phase Eu₂ZnSb₂: A Promising Thermoelectric Material with Ultralow Thermal Conductivity”。


    热电发电应用于工业废热、汽车尾气及太阳光余热的复合发电，可有效提高能源利用率，对发展清洁可持续性能源技术意义重大。热电材料的电导率、塞贝克系数和电子热导率之间相互耦合、此消彼长，使得整体性能优化受到限制。晶格热导率是唯一独立变量，因此寻找降低晶格热导率的有效方法成为各国科学家努力的方向。通常采用纳米化获得低维声子散射中心，然而该方法往往受到技术约束。如能从材料的本征结构考虑，选择本征低晶格热导率材料将大大简化对实验技术的要求，实现热电材料性能的提升。Zintl相热电材料具有声子玻璃-电子晶体结构，是高优值材料的理想选择。同时该材料种类繁多，有极大的开发空间。


    张倩教授及其课题组在Eu-Zn-Sb体系中改变Zn的固溶度获得具有超低晶格热导率的新型2-1-2型Eu₂Zn_1-xSb₂热电材料（室温晶格热导率∼0.41 Wm⁻¹·K⁻¹，623 K时晶格热导率∼0.37 W m⁻¹·K⁻¹）。2-1-2型Eu₂Zn_1-xSb₂的晶体结构可以看作在已有1-2-2型EuZn₂Sb₂的结构中插入一层Eu原子层，为保持电荷平衡，结构中出现50%的Zn空位。本征的Eu大原子层和大量Zn空位均可提供有效声子散射中心，为超低晶格热导率提供了有利保障，在此基础上精细调节Zn空位含量获得ZT = 1的有前景的新型Zintl相热电材料。基于本征结构设计的具有低晶格热导率的新型高性能Zintl相热电材料，为中温区热电应用提供了一种新的材料选择。