上海硅酸盐半导体材料（上海硅酸盐所等在类液态热电材料服役稳定性研究中取得进展）

最近，中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员仇鹏飞、研究员史迅、陈立东与美国西北大学教授G. Jeffrey Snyder、德国吉森大学教授Jürgen Janek等合作，深入解析了类液态热电材料中可移动离子在外场作用下的迁移和析出机理，结合理论和实验提出“类液态”离子能否从材料中析出的热力学稳定极限判据，并给出了相应的实验表征方法和技术。在此基础上提出，引入“离子阻挡-电子导通”的界面可以显著提高类液态热电材料在强电场或者大温差下的服役稳定性。这一研究对于类液态热电材料的实际应用具有重要意义。相关研究成果发表于《自然-通讯》杂志（Nature Communications，DOI:10.1038/s41467-018-05248-8)，研究团队自主搭建的设备及部分测量结果发表于《无机材料学报》杂志(Vol.32, 2017, 1337-1344)，并申请中国发明专利。

热电能量转换技术利用半导体材料的塞贝克（Seebeck）和帕尔贴（Peltier）效应实现热能与电能直接相互转化，在工业余热和汽车尾气废热发电等领域具有重要而广泛的应用前景。然而，受制于结构的长程有序性，传统的晶态化合物热电材料的晶格热导率存在一个最低极限(最小晶格热导率)，限制了热电性能持续优化的空间。针对这一瓶颈问题，自2012年开始，陈立东和史迅带领的热电团队提出在固态材料中引入具有“类液态”特征的离子来降低热导率和优化热电性能，成功突破了晶格热导率在固态玻璃或晶态材料上的限制，进而发现了一大类具有“声子液体－电子晶体”特征的新型高性能(ZT~2.0@1000 K)类液态热电材料体系(Nat. Mater. 2012, Adv. Mater. 2013&2014& 2015&2017、Energ. Environ. Sci. 2014&2017、npj Asia Mater. 2015等)，成为近年来热电材料领域的一个热点方向。但是，这些类液态热电材料(如 Cu2-δSe, Ag9GaSe6, Zn4Sb3等)中具有“类液态”特征的金属阳离子易在电场或温度场作用下长程迁移进而析出，导致较差的服役稳定性，限制了其实际应用。因此，通过研究类液态热电材料中离子的迁移过程和物理机制，进而提高其服役稳定性，是新型高性能类液态热电材料走向应用的关键。

(a) 类液态热电材料的工作环境；大电流作用下(b)普通类液态热电材料和(c)具有“离子阻挡-电子导通”界面的类液态热电材料端面金属Cu析出情况

类液态热电材料中离子迁移和析出的物理和化学过程

(a) 不同长度Cu1.97S样品的临界电流与临界电压；(b) 具有不同化学计量比的Cu2-dS样品的临界电压；(c) 给定温差环境下Cu1.97S样品的临界电流；(d) Cu1.97S在不同温差和热流方向下的临界电压

利用“离子阻挡-电子导通”界面提高服役稳定性的原理(a,b)；(c) 恒温环境和(d) 给定温差环境下的实验结果