深圳先进院等在硅锗合金的热电性能调控领域取得新进展

N型硅锗合金是一类性能优异的高温热电材料，由它制成的放射性同位素热电发电机RTG可以长时间有效地将放射性同位素（Pu）衰变产生的热量转化为电能，工作性能稳定而无需额外燃料和人工维护，满足了航空航天器、卫星等设备在黑暗广袤的太空中的各种仪器供电需求。硅锗合金多应用于航天航空而很少出现在日常生活中，一个主要原因就是大量掺杂的锗元素提高了材料成本；另一个原因是硅锗合金的热导率在5 W/mK以上，制约了其热电转换效率。如何利用低锗组分的硅锗合金实现同等甚至更为优异的热电转换应用，就需要考虑除了合金材料对声子的质量散射以外其他的作用机理。

对此中国科学院深圳先进技术研究院博士隋帆与其合作者展开了关于低锗组分的硅锗合金材料的热电性能调控相关的研究，通过快速的放电等离子烧结技术，保留硅锗合金的微纳结构以及合金母体中的异质纳米颗粒，这种合成方法可以引入大量边界散射，使得低锗组分材料具有与RTG的高锗合金一样高效的热电转换效率。另外，该研究与美国喷气推进实验室（JPL）合作，利用合金材料这一优异的测试标样对比了塞贝克系数的两种现行主要测试方法：同轴法和异轴法，发现异轴法会在热电偶局部造成“冷点效应”，使得高温区域的塞贝克系数测量值明显偏高，这也就意味着，现有的广泛应用的异轴法测试提供了大量误导性的文献数据，引起学术界广泛关注。论文以Influence of YbP on the thermoelectric properties of n-type P doped Si95Ge5 alloy 为题于近日发表在Journal of Alloys and Compounds 期刊上。

硅材料往往具有较高的热导率，合金体系通过锗元素掺杂，可以提高对声子的质量散射，降低热导率，诸如RTG使用的硅锗合金采用了20%的锗掺杂量，最终实现1.3以上的zT值。在低锗的Si95Ge5材料中，锗原子不能造成足够的质量散射来有效降低热导率，隋帆利用一系列不同组分P和YbH2前驱物均匀分散到硅锗合金的多晶粉末中，通过快速的放电等离子体烧结一步完成YbP异质颗粒的反应嵌合和材料的烧结。

通过对样品系统表征发现，1%低浓度掺杂的YbP组分可以降低材料的晶格热导率，取得和RTG同等甚至高温区域更优的热电转换效率。合金中团聚的纳米颗粒会产生比同等数目的单个原子更强的散射，这是由于除了质量差异引起的散射，纳米颗粒会有更明显的弹性系数差异，对于声子频率的散射也受纳米颗粒的半径影响。该研究还发现，不同测量原理的塞贝克系数表征会引起很大的偏差，这是由于在高温区域需要准确获得电极间的温差和电压差需要同轴法测量，才能避免异轴法在局部的温差畸变。该研究对于硅锗合金的热导率调控提出了新的解决思路和实验方案。

图1.样品热导率随温度的变化，在不增加锗含量的前提下，YbP在合金中的掺杂有效降低了材料的晶格热导率

图2.研究对比的两种不同的塞贝克系数测量原理: 左图为异轴法测量，右图为同轴法测量