北京师范大学化学学院
     
 
吴立明老师与陈玲老师 J. Am. Chem. Soc. 文章介绍

发布时间: 2021-10-24  浏览次数:

CsCu4Se3:低本征晶格热导率的机理研究

 

热电材料作为一种具有潜力的能源材料,近年来在材料、化学、物理研究等多个领域受到广泛关注。然而,较低的能量转换效率制约其能源领域的实际应用,导致热电研究充满了挑战性。故此,对热电现象的理论研究仍需更深层次的探索,理解并掌握材料电热输运的物理本质,对于该领域的进展具有重要的科学研究意义,其中晶格热导率作为唯一独立的热电参数,其重要性不言而喻。

 

 

近期,北京师范大学珠海先进材料研究中心、化学学院吴立明、陈玲教授课题组在碱金属硫属化合物A/M/Q (A = alkali metal; M = Cu, Ag; Q = S, Se, Te)的电热输运研究中取得重要进展:借助吴立明老师早期提出的硼硫化法(J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 4676-4681.),成功合成两例具有超低本征晶格热导率材料CsCu4S3CsCu4Se3,其中CsCu4Se3650 K时晶格热导率低至0.20 W/m/K。进而他们从理论上深入分析该类材料的晶体结构,晶格动力学以及声子输运特性,发现该化合物结构中原子均存在高度不对称配位特征,同时具有多重键合作用特点(共价Cu–Se2–,弱共价作用力Cu–Se,离子静电力Cs–Se2–)。CsCu4Se3的晶体结构由双anti-CaF2构型的[(Cu+)4(Se2–)2](Se)亚层与NaCl[(Cs+)(Se2–)]亚层沿c轴相互交替排列。晶格动力学研究表明CsCu4Se3结构中出现较大的晶格非简谐性主要归因于CuSe亚层与CsSe亚层之间的晶格振动耦合。声子研究结果表明CsCu4Se3具有较低声学波截止频率48 cm–1,其声学支与低频光学支的重叠,分别来自anti-CaF2构型的[(Cu+)4(Se2–)2](Se)亚层与NaCl[(Cs+)(Se2–)]亚层振动耦合,结合理论计算和实验分析他们揭示了CsCu4Se3极低本征晶格热导率的根源。同时,对A/M/Q系列化合物的弹性模量进行系统地比较分析,发现该类材料具有较低的平均声速va (1770–2130 m/s), 德拜温度θD (111–220 K),以及杨氏模量E (40–50 Gpa),表明该类材料具备柔软的晶格框架以及相对较低的晶格热导率,是一类非常有潜力的热电材料。该项工作是他们课题组前期两例高性能热电材料CsAg5Te3 (Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 1143111436.)α-CsCu5Se3 (J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 52935303.)研究的延续,对A/M/Q系列化合物电热输运结构与性能的构效关系获得了更为深入的认识,有望为固体功能材料的结构设计提供新思路。

该工作近期被《Journal of the American Chemical Society》杂志接受发表,(Mixed-Valence CsCu4Se3: Large Phonon Anharmonicity Driven by the Hierarchy of the Rigid [(Cu+)4(Se2–)2](Se) Double Anti-CaF2 Layer and the Soft Cs+ Sublattice. J. Am. Chem. Soc. 2021, DOI: 10.1021/jacs.1c07629)。《Journal of the American Chemical Society》是综合化学领域的世界顶级学术期刊,和《德国应用化学》一起被公认为化学领域最具影响力的期刊,最新SCI影响因子15.419

北京师范大学珠海先进材料研究中心、化学学院为该工作完成单位。该研究得到国家自然科学基金、北师大高层次引进人才基金、北京师范大学珠海自然高等研究院、化学学院、北京市重点实验室、北京市自然科学基金等资金的大力资助,特此感谢。

原文链接: https://doi.org/10.1021/jacs.1c07629

 

 

 


 
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