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如何在纳米尺度定量测量热电复合材料热导?|《国家科学评论》

已有 833 次阅读 2017-7-15 17:58 |个人分类:国家科学评论|系统分类:论文交流|关键词:纳米 输运 定量 测量

日前,中国科学院深圳先进技术研究院与华盛顿大学的研究人员在纳米尺度输运性质的定量测量这一领域取得进展。《国家科学评论》(National Science Review,NSR) 于6月30日在线发表由Ehsan Nasr Esfahani及其同事撰写的研究论文,报道了运用扫描热成像原子力显微镜(SThM)定量测量三相结构的方钴矿热电材料的局域热导率。


在过去20余年,纳米材料与结构迅猛发展,极大提升了材料的宏观性能。这在热电领域尤为显著。2013年,Mildred S. Dresselhaus 等人在 Nature Nanotechnology 回顾过去半个多世纪热电材料的研发历程,给出了如图1所示的热电材料最大ZT值发展趋势图。由图可见,在上世纪最后30年,热电材料性能增长经历了漫长的停滞。拐点出现在新世纪初,由于纳米结构的引入,热电材料最大ZT值在过去近20年从1大幅度增长至2以上,其中中国学者贡献显著。高性能热电材料能够用于回收工业生产和日常生活中所产生的大量废热,也可用于固态制冷。其转换效率取决于热电优值ZT(最大值和平均值),因此高ZT值的纳米结构热电材料对于热电效应的大规模应用至关重要。


图1. 热电材料最大ZT值发展趋势 (Nature Nanotechnology, 2013)


尽管纳米结构热电材料在过去20年有了长足的发展,然而其性能提升却是在无法对其非均匀分布的热电性能进行准确测量的背景下实现的。事实上,这是纳米材料所面临的一个普遍共性问题:如今,我们能够对材料的成分与结构进行原子尺度的表征,如图2所示的Mercouri G. Kanatzidis教授以及任志锋教授和陈刚教授等分别在Science所报道的高性能纳米热电材料。可是,我们当前还无法在纳米尺度定量测量材料的局域性能,因此也无法将纳米结构与其宏观性能直接关联,只能依靠计算材料学的理论和模拟指引。如果我们能够直接测量图2所示的纳米量子点、纳米晶粒乃至晶界的热电性能,就有可能进一步推动对纳米结构热电材料的理解。


图2. 高性能纳米热电材料 AgPb18SbTe20 (左:Science, 2004) 和 BiSbTe (右:Science, 2008)


纳米尺度输运性质的定量测量是国家重点研发计划纳米科技重点专项的一个重要目标。日前,中国科学院深圳先进技术研究院与华盛顿大学的研究人员在这一领域取得进展。Ehsan Nasr Esfahani及其同事在National Science Review发表论文,报道其运用扫描热成像原子力显微镜(SThM)定量测量三相结构的方钴矿热电材料的局域热导率,如图3所示。他们通过背散射电子显微镜(BSE)确定材料的微区成分,再通过热探针实现同一局域的热成像(SThM)。以往SThM成像倍受形貌起伏的干扰,但从图3可见,在这一工作中,热成像(SThM)与形貌像(Topography)没有关联,而与成分相(BSE)一一对应;这是前所未有的。借助于一系列标准样品的标定,结合有限元局域热传导过程模拟,Nasr Esfahani 等确定出材料局域的热导率分布,如图4所示,并准确捕捉其在两相界面处的变化。该工作得到国家重点研发计划纳米科技重点专项的支持。


图3. 方钴矿的热成像、形貌、及成分相分布


图4. 方钴矿的热导率分布及其界面处变化



专家点评



美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授和北京航空航天大学赵立东教授对这一工作做出评价:

This method reported by Nasr Esfahani et al. is a valuable advance in thermoelectric materials characterization, and if can be widely adopted it will add to the toolbox of characterization techniques used in searching for ever higher performance thermoelectric materials.


文章信息


Quantitative nanoscale mapping of three-phase thermal conductivities in filled skutterudites via scanning thermal microscopy

Ehsan Nasr Esfahani, Feiyue Ma, Shanyu Wang, Yun Ou, Jihui Yang and Jiangyu Li

Natl Sci Rev 2017; doi: 10.1093/nsr/nwx074

https://doi.org/10.1093/nsr/nwx074




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