一步等离子活化烧结法制备Ag20S7-xTe3+x高效柔性热电材料及其性能优化

针对传统银硫族化合物合成能耗高、周期长的问题，武汉理工大学团队通过一步等离子活化烧结（PAS）技术，在10分钟内快速制备Ag20S7-xTe3+x块体材料。通过调控硫碲比，Ag20S6.8Te3.2在700K时获得0.87的高热电优值（zT），其高电导率（7.19×104 S m-1）与超低晶格热导率（0.34 W m-1 K-1）源于晶态-非晶双相结构，为可穿戴能源技术提供了工业化量产路径。

　　

热电材料能将废热转化为电能，是可穿戴设备的理想能源解决方案。然而传统银硫族化合物如Ag₂₀S₇Te₃的制备需经历熔融-退火等多步工艺，耗时耗能且不利于柔性器件开发。更棘手的是，材料的热电转换效率受限于"跷跷板效应"——提高电导率往往导致热导率上升，而降低热导率又可能牺牲电导率。如何通过工艺创新打破这种制约，成为该领域的关键挑战。

武汉理工大学的研究团队在《Materials Today Energy》发表研究，提出采用等离子活化烧结（Plasma Activated Sintering, PAS）这一革命性方法。他们仅用6分钟在773K下将银、硫、碲元素粉末直接烧结成Ag₂₀S_7-xTe_3+x块体材料，并通过精确调控硫碲比（x=-0.2~0.2），使Ag₂₀S_6.8Te_3.2在700K时获得0.87的zT值，创下该体系纪录。这一突破源自材料独特的晶态-非晶双相结构：晶相保障高电导率，非晶相强烈散射声子从而压制热导率。

研究采用X射线衍射（XRD）分析晶体结构，四探针法测量电导率，激光闪射法测试热扩散系数。通过同步调控载流子浓度与声子散射，团队发现Te含量增加会促进非晶相形成，但过量Te（x>0.2）会导致电性能劣化。最优组分Ag₂₀S_6.8Te_3.2的电导率达7.19×10⁴ S m^-1，同时晶格热导率低至0.34 W m^-1 K^-1，验证了"声子玻璃-电子晶体"的设计理念。

【微结构特性】XRD显示S-rich组分（x<0）呈现尖锐单斜晶衍射峰，而Te-rich组分（x>0）出现非晶弥散峰。这种结构异质性通过高分辨透射电镜（HRTEM）证实，材料中存在5-10nm的非晶区域，能有效散射中高频声子。

【热电性能】当x从-0.2增至0.2，功率因子（PF）先升后降，在x=0.2时达峰值。但过高的Te含量（x=0.2）会导致Seebeck系数骤降，说明存在最佳掺杂阈值。通过Debye-Callaway模型计算，非晶相使声子平均自由程缩短至1.2nm，仅为晶相的1/20。

该研究实现了三大突破：首次证明PAS技术制备银硫族化合物的可行性；建立成分-结构-性能的定量关系；提出晶态-非晶协同调控策略。相比传统工艺，PAS节能90%以上，且产品致密度超98%，完全符合工业量产要求。Bachir Melzi等研究者通过这种"快准狠"的制备方式，为柔性热电材料的产业化树立了新标杆。