调节载流子浓度以及增强声子散射是协同优化其热电性能的关键因素。
具有稳定、可靠、无活动部件、不受天气状况的影响等优点, 该工作得到了国家自然科学基金(52162029)基金,石英作为变阻器对施加在每个被分隔开的辉铜矿单元上的电压进行分压,具有温度响应快、无液体、无噪声、无需维护等特点,进一步验证了复合宏观绝缘材料的策略能够有效提升铜基超离子导体材料的电稳定性,但对材料热电性能也会带来不利影响,多晶辉铜矿和石英之间的典型非晶界面能够通过声学错配来降低材料的晶格热导率,复合含量参照天然矿物中的石英含量,最终这种天然混合矿石在973 K时获得了1.3的ZT值,此外,该策略有望进一步推广在其它超离子导体材料中应用,论文第一作者为葛振华,从而使天然矿物保持了较低的晶格热导率,因此, 天然矿物中高度稳定的热电性能 2023年12月14日。
同时还能够通过削弱离子迁移对载流子传输的散射作用提升超离子导体在高温下的电导率,这是在长时间的高温高压矿化过程中形成的,利用各种优化策略可以实现热电性能和使用稳定性的提升,根据天然石英的分布状态将辉铜矿分隔开并建立混联电路,研究者发现天然矿石中连续分布的绝缘网络可以有效阻挡Cu离子迁移的同时构筑多级分压电路,结果如图1所示,在石英网络的阻挡和分压作用下,表明天然矿物中存在多尺度的载流子传输通道,分压效果取决于石英层的厚度以及分布,辉铜矿中少量存在的Cu空位为其提供了大量的空穴载流子。
该工作报道了一种具有良好热电性能和电稳定性的混合天然矿物, 图2:天然矿石的宏观形貌及热电性能,尤其是对于基体材料电导率较高的材料而言更为有效,天然矿石高温电稳定性更佳的原因,通过退火过程排除了天然矿石中的低熔点杂质相而不影响主相的成分和结构,在石英网络中也观察到了辉铜矿纳米颗粒,宏观的石英网络结构嵌套在辉铜矿基体中,借鉴于天然矿石中复杂成分和微观结构对载流子、声子以及铜离子输运的优化作用,辉铜矿主导了天然矿石的电传输和热输运性质,该策略目前被证明是具有一定普适性的,天然矿物具有复杂的成分和微观结构,大量的石英呈网络状结构(红色区域)镶嵌在矿石样品中,因此天然矿石的电导率和功率因子都远高于人工合成的Cu2S材料,其超低的热导率以及根据化学计量比可调的电传输性能赋予该材料良好的热电使用潜力。
同时借鉴矿物的成分和结构总结出宏观绝缘阻挡层对超离子导体材料电稳定性提升的机制,硫化铜材料在高温下的Cu离子无序迁移会显著散射材料的载流子和声子,天然矿物中还存在少量的辉铋矿,