基于DMSO瞬态液相冷烧结技术高效提升硒化银热电性能的研究

为解决传统高温烧结工艺导致的硒化银(Ag2 Se)热电材料性能受限问题，研究人员创新性地采用二甲基亚砜(DMSO)作为瞬态液相，通过冷烧结工艺(CSP)在190-250°C低温下制备出高致密度Ag2 Se块体。优化后的样品(10% DMSO, 250°C烧结)获得峰值ZT达1.16(380K)和平均ZT 1.02(300-380K)，较传统工艺提升42-49%。该研究为开发近室温高效热电材料提供了新思路。

　　

在能源危机与碳中和背景下，热电材料能将废热直接转化为电能的神奇特性引发广泛关注。这类材料如同"热能捕手"，可回收工业废热、汽车尾气甚至人体体温等低品位热能。目前商用热电材料以碲化铋(Bi₂
Te₃
)为主，但其原料稀缺、机械性能差的缺陷制约发展。硒化银(Ag₂
Se)因储量丰富、本征低热导率成为新宠，但传统热压(HP)和放电等离子烧结(SPS)需600°C以上高温，易引发晶粒粗化、银空位过量等问题，导致性能下降。

针对这一瓶颈，研究人员开创性地采用冷烧结工艺(CSP)结合二甲基亚砜(DMSO)瞬态液相，在190-250°C低温区间成功制备高性能Ag₂
Se块体。该技术通过DMSO促进颗粒表面溶解-沉淀，实现"低温致密化"与"缺陷调控"的双重突破。研究系统考察了DMSO浓度(5-12wt%)和烧结温度(190-250°C)对材料结构性能的影响，发现10% DMSO在250°C烧结时可获得最佳综合性能。

关键技术方法包括：湿法球磨制备Ag₂
Se粉体；采用500MPa压力配合DMSO溶液进行CSP成型；XRD和SEM表征晶体结构与形貌；LFA-500激光导热仪测试热扩散率；Linseis LSR-3系统同步测量电导率(σ)和塞贝克系数(S)；量子设计VersaLab完成霍尔效应测试。

【3.1 DMSO浓度影响】
XRD证实所有样品均保持β-Ag₂
Se正交相。SEM显示DMSO促使晶粒融合形成连续基体，5% DMSO样品载流子浓度(n_H
)降至0.6×10¹⁹
cm^-3
，而12% DMSO时回升至4.2×10¹⁹
cm^-3
。10% DMSO样品在380K实现最佳功率因子2340 μW m^-1
K^-2
，归因于DMSO残留物调控的载流子输运。

【3.2 烧结温度影响】
250°C烧结样品(AS-DMSO250)展现出最稳定性能：电导率(σ)达1.25×10⁵
S m^-1
，塞贝克系数(S)保持160 μV K^-1
。热导率(κ)分析揭示晶格热导率(κ_l
)低至0.33 Wm^-1
K^-1
，源于孔隙和微裂纹增强的声子散射。最终获得室温ZT 0.94至380K时1.10的优异性能，平均ZT较传统工艺提升近50%。

该研究突破性地证明：DMSO辅助CSP可在近室温实现Ag₂
Se的高效致密化，通过精准调控DMSO浓度和烧结温度，协同优化了载流子输运(σ与S)与声子散射(κ)。所获ZT值超越多数文献报道，为开发新一代近室温热电材料开辟了绿色制备新途径。特别是该方法避免高温导致的银空位过掺杂问题，对推动柔性可穿戴热电器件发展具有重要实践意义。论文创新性地将有机溶剂化学与粉末冶金结合，为功能材料低温制备提供了范式转移。