米乐m6官方网站 开发一种可垂直于热流发电的新型热电材料

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）节能研究部首席研究员后藤阳介、首席研究员李哲穗、首席研究员村田雅之与岛根大学（以下简称“岛根大学”）理工学部助理教授臼井秀智等人合作，开发了一种可以使温差和方向正交的独特技术当前热电材料（Gonio极性材料)研发成功。

大部分一次能源以热量的形式排放，为了有效利用这些未使用的热量（废热），世界各地正在开发将热量转化为电能的热电材料。近年来，关于高性能新材料的报道不少，但目前唯一投入实际应用的是Bi₂特₃仅类型材料。在高于室温的温度下工作的热电模块缺乏实际应用，阻碍了利用废热发电的进展。特别是，传统的热电模块具有“垂直”结构，其中热流和发电方向相同，发电时与高温热源接触电极接口由于发生元素扩散等反应并导致其变质，因此存在耐久性问题。该研究小组开发了载流子密度精确控制的Mg₃锑₂和镁₃双₂的单晶并发现了一种极其独特的特性（角极性），它将导致实现“水平”热电模块，其中热流和发电方向是正交的。卧式热电模块在高温区域不需要电极，因此不易发生热劣化，有望从根本上解决传统热电模块的耐久性瓶颈问题。

阐明角极性的起源第一性原理计算并发现由于电子能态的各向异性，电荷载流子的符号根据晶体取向而不同。由于有许多物质具有相似的特性，因此应用这里使用的方法有望导致更高性能热电模块的开发。

该技术的详细信息将于 2024 年 2 月 7 日（美国东部时间）发布。材料化学

热电发电是利用废弃不用的废热发电，其优点是原则上免维护，因为它是固态装置，没有运动部件，因此不会产生振动或噪音。另一方面，当实际接触高温热源时，电极界面会发生化学反应和元素扩散，导致性能下降，这给实际应用带来了挑战。为了解决这个问题，人们提出了一种“水平”热电模块，其中温差方向和发电方向正交。为了实现这种水平热电模块，有人提出使用角极性材料（gonio在希腊语中意为旋转或角度），其中同一材料内电子和空穴的运动方向根据晶体取向而不同。除了温差和发电方向正交的特点外，无需组装p型和n型两种半导体，由一种材料组成，因此预计结构将简单且易于制造。还预测，通过调整纵横比（减小厚度），转换效率将会提高。然而，具有极其独特的角极性特性的高性能材料的开发却进展甚微。

AIST 旨在通过使用热电模块有效利用废热，为未来实现碳中和社会做出贡献，并一直致力于 Bi₂Te₃相媲美的新材料系统（2021 年 4 月 17 日 AIST 新闻稿）。我们目前正在与岛根大学合作开发新材料，以创建一种“水平”模块，从根本上解决传统“垂直”模块的问题。这次，我们发现了一种有望实现水平热电模块的新型角极性材料，并通过第一性原理计算阐明了其性能机理。

该结果是新能源产业技术综合开发机构 (NEDO) 委托开展的工作 (JPNP14004) 的结果。我们还获得了科学研究挑战研究（开创性）补助金 (23K17342) 的资助。

·镁₃锑₂和镁₃双₂角极性

AIST 研究小组精确控制 Mg 载流子密度₃锑₂和镁₃双₂单晶并发现它们是角极性材料（图1）。镁₃锑₂图2(a)显示单晶塞贝克系数的温度变化（添加少量Y用于电子掺杂）。当塞贝克系数为负时，电子为载流子；当塞贝克系数为正时，空穴为载流子。测量结果显示，图1中的主要载流子是水平方向的电子和垂直方向的空穴，表明该材料表现出角极性。根据下面描述的第一性原理计算，电子在材料中各向同性传导，而空穴各向异性传导（仅在垂直方向），因此两者之间的平衡产生角极性（图 1，右）。对不同载流子密度的样品进行了类似的测量，发现当载流子密度为10¹⁸厘米^-3如果 10¹⁹厘米^-3上方的区域中，该属性丢失并变得各向同性（图2（b））。在高载流子密度区域失去角极性的原因是 Mg₃锑₂是半导体，空穴（少数载流子）的贡献很小，可以忽略不计。

图 3(a) 中的 Mg₃双₂显示单晶塞贝克系数的温度依赖性。镁₃锑₂的情况。此外，镁₃锑₂是半导体，而 Mg₃双₂是半金属由于电子和空穴都有助于导电，因此载流子密度为 10¹⁹厘米^-3的高浓度区域，空穴也起到载流子的作用。或更高，并表现出角极性（图3（b））。为了提高热电模块的性能，需要同时具有高塞贝克系数和低电阻率，载流子密度为10¹⁹厘米^-3即使在高浓度区域也表现出角极性。事实上，镁₃双₂极低，小于 20 μΩm。横向热电品质因数 Z_xyT室温下计算为006。此外，我们发现实验结果与第一性原理计算结果基本匹配（图3（b）），证明了实验结果的有效性，并表明可以为未来进一步的性能改进提供指导。

·通过第一性原理计算阐明角极性机制

镁₃锑₂和镁₃双₂的角极性表达机制。使用第一性原理计算。图4中的Mg₃锑₂电子和空穴费米面电子费米面具有球形形状，表明电子在材料中各向同性传导。相比之下，霍尔费米面具有平坦的形状，表明空穴仅在图中的垂直方向上传导。该费米面的各向异性（能带各向异性）为 Mg₃双₂也是如此，我们发现角极性是通过控制电子和空穴传导的各向异性来表达的。

理论上已经提出使用角极性，但直到几年前，在数十万种已知的现有物质中，只有大约 10 种物质被实验观察到具有角极性。尽管近年来不断有新材料的报道，但尚未开发出可投入实际使用的高性能材料。镁₃锑₂和镁₃双₂是一种世界各地正在研究的材料，因为它作为垂直热电材料表现出很高的品质因数（15），并且观察这些材料的角极性对于高耐用热电模块的实际应用是重要的结果。另外，这些材料属于122Zintl相化合物可与大量元素化合，具有类似能带各向异性的物质还有很多。通过将这组物质视为一组新的角极性材料，预计未来将会发现更多高性能材料。

在这项研究中，Mg 具有精确控制的载流子密度₃锑₂和镁₃双₂的单晶并成功研制出热电材料作为新型角极性材料。通过关注能带各向异性并将我们的材料搜索扩展到相关化合物，我们的目标是使用角极性材料实现高性能水平热电模块。

已出版的杂志：材料化学
论文标题：能带各向异性产生 Mg 的轴相关传导极性₃锑₂和镁₃双₂
作者：后藤洋介、臼井英智、村田雅之、Joshua E Goldberger、Joseph P Heremans、Chul-Ho Lee
DOI：101021/acschemmater3c02970

热电材料

能够直接将热能（温差）转化为电能的材料。高效转换（发电）要求材料具有较大的塞贝克系数和较低的电阻率。这里，塞贝克系数S与材料两端温差ΔT的乘积就是产生的电压ΔV=SΔT。[返回来源]

角极性材料

一种载流子符号根据晶体取向而不同的材料。当热能施加到材料上时，可以使热流和电流的方向正交，直到几年前，人们只知道大约 10 种类型。[返回来源]

电极接口

这是热电材料和电极之间的接合面。为了有效地将热电材料产生的电力提取到外部，需要在界面处形成良好的低电阻的接合表面。[返回来源]

第一性原理计算

基于量子力学基本原理的计算。您可以找到控制材料特性的电子态。[返回来源]

半金属

一种电子和空穴都有助于导电的金属。[返回来源]

横向热电品质因数 (Z_xyT)

表达热电材料性能的指标。使用绝对温度 T、塞贝克系数 S、电阻率 ρ 和导热系数 κ，通常的热电品质因数为 ZT = S²T/ρκ。高热电性能需要高 S 和低 ρ 和 κ。横向热电品质因数 Z_xyT是垂直于热流方向的塞贝克系数S_xy，正交方向的电阻率ρ_x，平行导热系数κ_YxyT = S_xy²T/ρ_xκ_Y[返回来源]

费米面

波数空间中的等能面。电子费米面是导带下端，空穴费米面是价带上端的等能面。可以评估电子和空穴响应于电场和温差等外部场而容易传导的方向。[返回来源]

Zintl相化合物

一系列由共价键合阴离子和离子键合阳离子网络组成的化合物。当组成元素的组合为1:2:2时，称为122 Zintl相化合物。镁₃锑₂或镁₃双₂被归类为 122 Zintl 相化合物，其中 Mg 占据两个位点。[返回来源]