(GeTe)0.962(Bi2Te3)0.038合金热电性能的优化：通过各向异性织构实现高效能量转换

本文聚焦p型(GeTe)0.962(Bi2Te3)0.038合金的热电性能优化，通过熔体旋转（MS）和热压（HP）技术调控晶粒取向与尺寸，揭示了各向异性织构对电导率（ρ）、塞贝克系数（α）和热导率（κ）的协同作用机制。研究发现，2400 RPM高速冷却可降低晶格热导率（κl），垂直热压方向的样品在310–500°C宽温区实现ZT~1.4，为无铅热电材料设计提供新策略。

　　

Highlight

这项研究揭示了p型(GeTe)_0.962(Bi₂Te₃)_0.038合金的热电性能如何通过各向异性织构实现突破。通过对比240 RPM和2400 RPM熔体旋转速度制备的样品，发现高速冷却（2400 RPM）能显著细化晶粒并增加晶界密度，从而增强声子散射，将晶格热导率（κ_l）压制到最低水平。

Results and discussion

扫描电镜（SEM）显示，2400 RPM样品中靠近轮面（CW）的区域形成更薄的片状结构（图2a），而远离轮面（FW）则呈现纳米级柱状晶（图2b）。这种微观结构差异直接影响了热电性能：

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  电输运特性：塞贝克系数（α）不受加工速度影响，但电阻率（ρ）表现出强烈各向异性——平行于热压方向（(110)晶面）的样品因共价键优势呈现更低ρ，而垂直方向（(001)晶面）因范德华键较弱导致ρ升高。

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  热导率调控：维德曼-弗朗兹定律（Wiedemann-Franz law）在此得到完美验证，电子热导率（κ_e）与ρ呈反比。2400 RPM样品通过晶界散射将κ_l降至0.8 W/mK，比低速样品降低40%。

Conclusions

在310–500°C温区内，2400 RPM制备的垂直取向样品实现ZT~1.4的峰值性能，这归功于三大协同机制：

1）Bi₂Te₃掺杂优化载流子浓度；

2）高速冷却诱导的纳米结构增强声子散射；

3）各向异性织构使(110)晶面沿电流路径定向排列。该研究为开发高效无铅热电材料提供了可规模化生产的工艺蓝图。