Ag2Se 是一種很有前途的近室溫熱電材料，在固態冷卻和餘熱回收方面具有廣闊的應用前景。為了推進 Ag2Se 的實際應用，進一步提高其平均無量綱品質因數 (zT) 和機械性能勢在必行，但也具有挑戰性。
來自重慶大學的學者通過構建具有均勻分布的AgSbSe2 夾雜物的 Ag2Se/AgSbSe2複合結構，有效地提高了兩種類型的性能，這是通過燒結溶液合成的 Ag2Se 納米/微粒和Sb2Se3納米棒的混合物實現的。顆粒狀AgSbSe2 和構建的 Ag2Se/AgSbSe2界面可增強聲子散射並阻止裂紋擴展，細化的晶粒尺寸還有助於優化熱性能和機械性能。因此，(Ag2Se)0.98(2AgSbSe2)0.02複合材料在 375 K 時的晶格熱導率低至 0.15 W m–1K–1，在 300 至 375 K 之間的平均 zT 約為 0.89；在力學方面，該複合材料獲得了197.3 MPa的抗壓強度，與Ag2Se相比提高了約125%，代表了該化合物有史以來的最高值。這項研究揭示了引入二次相粒子對同時提高 Ag2Se的熱電和機械性能的功效。相關文章以「AgSbSe2 inclusions enabling high thermoelectric and mecHAnical performance in n-type Ag2Se-based composites」標題發表在Acta Materialia。
論文連結：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118753
圖 1. Ag2Se/AgSbSe2複合材料合成及熱電和機械性能增強機制示意圖。右上圖展示了本研究的 (Ag2Se)0.98(2AgSbSe2)0.02樣品和其他報導的熱電材料在 300 – 375 K 範圍內的平均 zT、抗壓強度和壓縮變形應變（對應於達到抗壓強度時的應變）。
圖 2. 溶液合成的Ag2Se/Sb2Se3 粉末樣品的表徵：(a) (Ag2Se)(Sb2Se3)x (x = 0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.025) 樣品的 XRD 圖，(b) 中相應的放大區域2θ範圍從27°到29°； (c–e) (Ag2Se)(Sb2Se3)0.02、Ag2Se 顆粒和 Sb2Se3納米棒的 SEM 圖像。
圖 3. (Ag2Se)1–y(2AgSbSe2)y(y = 0.01, 0.02) 顆粒的表徵：(a) y = 0.02 顆粒的 TEM 圖像，(b) 高角度環形暗場(HAADF) 圖像y = 0.02 顆粒和相應的 EDS 元素映射，(c) 分別是 (b) 中「B」和「C」區域的 EDS 光譜，(d) 從 (a) 中的「A」區域收集的HRTEM 圖像， (e, f) 分別為 (d) 中次生相和基質的 HRTEM 圖像； (g, k) 分別為 y = 0.01 和 y = 0.02 顆粒的 BSE 圖像，以及相應的 WDS (h, l) Ag、(i, m) Se 和 (j, n) Sb 圖。 (e, f) 中的插圖分別是對應於 HRTEM 圖像的 FFT 模式。
圖 4. (Ag2Se)1–y(2AgSbSe2)y(y = 0, 0.005, 0.01, 0.015, 0.02, 0.025) 複合材料的熱電特性：(a, b, c, d, f, g, h) 溫度- 分別依賴於 κ、κe、κL、σ、S、S2σ、zT； (e) 室溫霍爾載流子濃度和遷移率； (i) 本研究的 (Ag2Se)0.98(2AgSbSe2)0.02樣品和其他報導的熱電材料的 zTavg 值。
圖 5. Ag2Se基樣品的力學性能和力學測試後樣品的微觀結構表徵：（a）（Ag2Se）1–y（2AgSbSe2）y（y = 0，0.005，0.01，0.015，0.02，0.025）顆粒的壓縮應力與應變曲線;（b、c）壓縮後 y = 0.01 和 y = 0.02 顆粒的 BSE 圖像;（d） Ag2Se和（Ag2Se）1–y（2AgSbSe2）y複合材料的維氏硬度;（e， f）Ag2Se和（Ag2Se）0.98（2AgSbSe2）0.02顆粒壓痕形態的EPMA-SE圖像。（f）中的插圖分別是矩形區域「A」和「B」的BSE圖像
綜上所述，Ag2Se/AgSbSe2 複合材料通過兩步可控制備：第一步是通過低溫、可擴展的溶液合成方法在 Ag2Se 顆粒之間引入 2Se3 納米棒，第二步涉及混合物燒結，引發 Ag2Se + Sb2Se3 = 2AgSbSe2 進而生成AgSbSe2夾雜物和晶粒細化。夾雜物在同時優化 Ag2Se基材料的熱電和機械性能方面發揮著重要作用，包括聲子散射增強、裂紋擴展障礙和二次相強化。因此，(Ag2Se)1–y(2AgSbSe2)y(y = 0.02) 複合材料的晶格熱導率在 300 – 375 K 範圍內顯著降低（例如，在 375 K 時為 0.15 W m–1 K–1），導致到 0.93 的顯著改善的峰值 zT 和~0.89 的異常平均 zT。同時，該複合材料獲得了197.3 MPa 的抗壓強度（該材料有史以來的最大值）和約 13% 的塑性變形應變，與原始 Ag2Se 相比分別提高了約 125% 和約 33%並與各種先進的熱電材料相媲美。本研究為 Ag2Se 基熱電複合材料的合成建立了一種可控方法，並為開發具有良好熱電和機械性能的材料提供了有效策略。（文：SSC）
本文來自微信公眾號「材料科學與工程」。歡迎轉載請聯繫，未經許可謝絕轉載至其他網站。