优化的N型Bi?Te?·2.4Se·0.6热电材料，可实现均匀分段的器件结构

《Chemical Engineering Journal》：Optimized N-type Bi 2Te 2.4Se 0.6 thermoelectric materials enabling homogeneous segmented device

热电性能优化；Bi?Te?材料；BiI?和Mn共掺杂；界面热应力；均匀分段结构；ZT值提升；热电转换效率；材料稳定性；掺杂优化；商业应用

　　在当前的能源利用技术中，热电材料因其能够实现热能与电能之间的直接转换而备受关注。这些材料不仅能够用于冷却系统，还能够作为热能回收装置，从而在节能减排方面发挥重要作用。然而，尽管热电材料的研究取得了诸多进展，Bi?Te?基材料依然是唯一在室温附近具有商业应用价值的热电材料。这使得Bi?Te?基材料的研究和优化成为热电领域的重要课题。

Bi?Te?基材料的主要优势在于其良好的热电性能，特别是在室温范围内。然而，其应用范围受限于性能随温度变化而下降的问题。为了克服这一局限，研究人员提出了多种策略，其中分段结构被认为是一种有效的解决方案。分段结构通过在不同温度区域使用不同性能的材料，能够有效抑制双极扩散导致的效率降低。然而，这种结构在实际应用中面临一个关键挑战：由于各段材料之间的热膨胀系数、弹性模量等物理性质存在差异，导致在界面处产生较大的热应力，这不仅影响了设备的稳定性，还可能加速材料的老化和失效。

为了解决这一问题，本研究提出了一种新的方法，通过BiI?和Mn的协同掺杂，对n型Bi?Te?.?Se?.?材料进行优化，从而提升其热电性能。BiI?的掺杂可以调节载流子浓度，而Mn的掺杂则有助于改善密度-态有效质量，这两者的协同作用显著提高了材料的ZT值（热电优值）。通过实验和模拟的结合，研究团队成功地实现了在375 K时ZT值达到约1.1的优异性能。这一成果为Bi?Te?基热电材料的性能提升提供了新的思路。

此外，研究团队还开发了一种均匀分段的n型Bi?Te?腿结构，该结构具有可调的高度比例，能够在不同温度梯度下实现最佳性能。相比传统的异质结构设计，这种均匀分段的结构能够显著降低界面热应力，同时提高长期热稳定性。通过将优化后的n型材料与自主研发的p型材料相结合，研究团队成功制造出一种高效的热电装置，其在200 K、250 K和300 K的温差下分别实现了6.4%、6.9%和7.4%的转换效率。这一成果表明，均匀分段结构不仅能够提升热电材料的性能，还能确保其在宽温度范围内的稳定运行。

在材料合成方面，研究团队采用固态法对样品进行制备。高纯度的Bi、Te、Se、Mn以及BiI?作为原料，按照特定的比例进行混合。为了确保材料的均匀性，混合物被密封在直径为10 mm的石英管中，并在真空条件下进行加热处理。在加热至1023 K后，通过持续摇晃混合物30分钟，使其充分混合，随后在空气中快速冷却。这一工艺不仅保证了材料的均匀性，还有效控制了晶粒结构，从而提高了材料的性能。

在材料性能的表征方面，研究团队利用粉末X射线衍射（XRD）对所有合成的Bi?Te?.?Se?.? + x wt% BiI?样品进行了分析。结果显示，这些样品的XRD图谱与Bi?Te?.?Se?.?的标准参考图谱高度一致，且在微量掺杂的情况下也未检测到杂质峰。这一现象表明，BiI?的掺杂并未引入新的杂质相，而是通过晶格畸变改变了材料的结构特性。更值得注意的是，XRD图谱中出现了系统性的峰位偏移，这表明BiI?的掺杂导致了晶格收缩，进一步验证了其对材料结构的调控作用。

除了XRD分析，研究团队还通过其他手段对材料的热电性能进行了深入研究。例如，通过测量材料的Seebeck系数、电导率和热导率，研究团队能够全面评估其热电性能。这些参数的优化对于提高ZT值至关重要，因为ZT值是衡量热电材料性能的关键指标。通过精确控制BiI?和Mn的掺杂比例，研究团队实现了载流子浓度和密度-态有效质量的同步优化，从而在375 K时获得了较高的ZT值。

在实验过程中，研究团队还特别关注了材料的机械性能。由于热电材料在实际应用中需要承受一定的机械应力，因此其机械稳定性同样重要。研究团队通过制备均匀分段的n型腿结构，不仅提高了材料的热电性能，还增强了其机械稳定性。这一结构的机械性能主要体现在其压缩强度上，达到了130 MPa，表明其在高温和高压环境下仍能保持良好的结构完整性。

在实际应用中，这种新型的热电装置被用于回收低品位废热，例如在化工行业和汽车尾气处理中。这些应用场景通常涉及较高的温度范围，因此需要热电材料能够在较宽的温度范围内保持稳定的性能。通过优化材料的结构和性能，研究团队成功地将热电装置的适用温度范围扩展到了500–600 K，同时保持了较高的转换效率。这一成果不仅为热电材料的应用提供了新的可能性，也为实现高效、稳定的热能回收系统奠定了基础。

本研究的创新点在于，通过BiI?和Mn的协同掺杂，实现了对n型Bi?Te?基材料的性能优化。这种优化不仅提高了材料的热电性能，还显著改善了其机械性能和热稳定性。此外，研究团队还提出了一种均匀分段的结构设计，这种设计能够有效减少界面热应力，从而提高设备的整体稳定性。通过将优化后的n型材料与自主研发的p型材料相结合，研究团队成功制造出了一种高效、稳定的热电装置，其在不同温度梯度下的转换效率均达到了较高的水平。

在研究过程中，团队还进行了系统的数值模拟，以确定最佳的n型腿高度比例。这些模拟结果为实验设计提供了重要的理论支持，确保了最终产品的性能达到预期目标。通过模拟和实验的结合，研究团队不仅验证了材料优化的有效性，还进一步优化了热电装置的结构设计，使其能够在实际应用中发挥更大的作用。

本研究的意义在于，它为Bi?Te?基热电材料的性能提升和结构优化提供了一个全新的策略。通过协同掺杂和均匀分段设计，研究团队成功地克服了传统热电材料在高温应用中面临的性能下降和结构不稳定的问题。这一成果不仅推动了热电材料的研究进展，也为实现高效、稳定的热能回收系统提供了重要的技术支持。

在材料科学和工程领域，热电材料的研究一直是热点之一。随着全球对可再生能源和节能减排需求的不断增长，热电材料的应用前景愈发广阔。Bi?Te?基材料作为当前唯一具有商业价值的热电材料，其性能的进一步提升将对相关技术的发展产生深远影响。本研究通过引入新的掺杂策略和结构设计，不仅提高了Bi?Te?基材料的热电性能，还增强了其在宽温度范围内的应用能力，为未来的热电技术发展提供了重要的参考。

综上所述，本研究在Bi?Te?基热电材料的性能优化和结构设计方面取得了重要进展。通过BiI?和Mn的协同掺杂，研究团队成功实现了对载流子浓度和密度-态有效质量的同步调控，从而显著提高了材料的ZT值。同时，通过开发均匀分段的结构设计，研究团队有效减少了界面热应力，提高了热电装置的长期稳定性。这些成果不仅为热电材料的研究提供了新的思路，也为实现高效、稳定的热能回收系统奠定了坚实的基础。未来，随着更多研究的深入和技术的进步，Bi?Te?基热电材料的应用范围有望进一步扩大，为节能减排和可持续发展做出更大的贡献。