榮登《Science》！浪聲科學XRD在高性能熱電材料研發中的應用

研究背景

熱電材料的核心使命:實現熱能與電能之間的直接、可逆轉換。其應用場景包括：

發電:利用工業廢熱、汽車尾氣廢熱、甚至人體體溫差進行發電（溫差發電）。

制冷:用于精密儀器冷卻、局部溫控（固態制冷），具有無振動、無噪音、體積小的優點。

近日，由北京航空航天大學趙立東教授團隊聯合太原科技大學在熱電材料領域取得重大進展。此次研究拓寬了硒化錫（SnSe）晶體高溫Cmcm相的穩定溫度區間，實現了對N型SnSe晶體Cmcm相的晶格對稱性調控與“二維聲子/三維電荷"輸運特性的顯著優化，成功將N型SnSe晶體ZT~3的熱電性能從單個溫度點擴展至250℃的寬溫域范圍（ZTave~3），并獲得了約19.1%的單臂發電效率，證明了N型SnSe晶體在溫差發電領域的巨大潛力，為構建全SnSe基溫差發電器件打下堅實基礎。

創新性策略:

1.熱電發電需要在寬溫度范圍內具有高無量綱優值ZT。二維聲子和三維電荷輸運使得n型-Pnma錫硒化物（SnSe）晶體在748開爾文時展現出約3.0的ZT峰值。本研究聚焦于高對稱性Cmcm相，以增強二維聲子和三維電荷輸運，并擴展高性能（ZT~3.0）平臺。通過同時拓寬Cmcm相穩定窗口并通過鉛合金化增強晶格對稱性，我們將高性能從單一溫度點擴展到約250開爾文的寬溫度范圍，該范圍在氯摻雜形成的類巖鹽Cmcm SnSe晶體中呈現n型特性。在673至923開爾文之間實現了約3.0的平均ZT，溫度差約572開爾文時的轉換效率約為19.1%。

2.“晶格對稱性工程":通過高濃度Pb合金化（23%），不僅降低了相變溫度，更重要的是改變了Cmcm相的局部晶格對稱性，使其更接近對稱性更高的“類巖鹽結構"。

3.協同優化機理創新性應對策略低了形變勢，削弱了聲子對載流子的散射，從而在載流子濃度大幅提升的情況下，依然維持甚至提高了高溫遷移率（解決了高溫散射強的痛點）。同時，能帶結構被調控，提升了態密度有效質量，補償了因載流子增加導致的塞貝克系數下降。熱學上：Pb合金化引起鍵的軟化，進一步降低了晶格熱導率。

4.革命性成果:最終，在Sn0.77Pb0.23Se0.95Cl0.05材料中，將平均ZT ~3.0的優異性能平臺從673K延伸至923K，跨度達250K，并實現了19.1%的超高轉換效率。

材料性能表征

圖片描述:通過增強二維聲子和三維電荷傳輸，Cmcm SnSe晶體在寬溫度范圍內具有高熱電性能。

圖片描述:673至923K溫度范圍內SnSe0.95Cl0.05與Sn0.77Pb0.23Se0.95Cl0.05沿面外方向的電輸運特性及能帶結構。

材料XRD表征

圖片描述:SnSe1-xClx的粉末X射線衍射圖譜

圖片描述:粉末樣品的X射線衍射結果(A) Sn1-xPbxSe0.95Cl0.05的粉末X射線衍射圖譜(B) Sn1-xPbxSe0.95Cl0.05的計算晶格參數

賦能科研創新

此次FRINGE系列X射線衍射儀參與到《Science》級研究成果的誕生，不僅印證了浪聲科學在分析儀器領域的技術實力，更標志著中國自主研發的科學儀器已達到國際較高水平。從晶體結構解析到物相定量分析的全流程中，浪聲科學XRD憑借其穩定性和精準度，成為了科學家探索未知、產出成果的得力助手。