材料学院研究团队在CaTiO3热电材料电热输运领域取得新进展

近日，材料学院王同敏与康慧君教授团队在英国皇家化学学会材料领域高水平学术期刊《Materials Horizons》在线发表了“Emerging Homogeneous Superlattices in CaTiO₃Bulk Thermoelectric Materials”研究论文，并评选为“Back Cover”封面文章。

热电材料根据自身的载流子输运特性能够直接将热能和电能进行相互转化，并且具有无噪声、无移动部件、体积小和长寿命等优点。目前热电材料广泛应用于热电偶测温相关领域，并在深空探测、便携式冰箱、恒温水浴槽、工业废热和汽车尾气废热回收等领域也有一定的应用。其中，由于其良好的高温化学稳定性、环境友好、无毒等优点，氧化物钙钛矿材料被认为是非常有潜力的热电材料。CaTiO₃作为钙钛矿的代表，因其介电、生物相容性、光催化以及储能密度特性，已广泛应用于高频陶瓷电容器、医药、降解有机物以及移动通信系统微波频率设备等方面。然而，由于其导电性差，CaTiO₃作为热电材料一直尚未被关注。为解决这一问题，该团队利用高温高真空微压烧结技术，在纯CaTiO₃中制备出大量氧空位，氧空位为CaTiO₃提供了热电相互转换的必要条件-载流子，实现了在CaTiO₃材料热电性能的从无到有。在此基础之上，利用稀土元素La掺杂改性，使CaTiO₃基热电材料的ZT实现大幅增加，相关工作发表在国际权威期刊（Chemical Engineering Journal, 2022, 428: 131121.）。

本研究是上述研究结果的进一步延伸和发展。CaTiO₃材料的较高热导率是制约热电性能进一步提升的关键，王同敏和康慧君教授团队创造性地提出了一种新的设计思想，通过可变价Ce元素掺杂并结合微压烧结方法获得了由Ce_δCa_1-δTiO₃和CaTi_1-δCe_δO₃交替层组成的均质超晶格，并在交替层之间提供了量子阱界面。由于界面处的声子散射和热边界电阻，超晶格的热导率比基体显著降低，获得了CaTiO₃体系中最高的ZT值0.405（1031 K）。与分子外延技术、磁控溅射、激光沉积等方法相比，采用常规热压烧结方法在钙钛矿氧化物热电材料制备出大量的超晶格结构，大大降低了生产成本，该策略有望为热电材料中超晶格制备提供重要的理论依据。

金属凝固与电磁调控团队康慧君教授、曹志强教授与王同敏教授为该论文的共同通讯作者，课题组博士生李建波为该论文的第一作者。上述研究成果得到国家自然科学基金和辽宁省兴辽英才计划和大连市科技计划的资助。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D2MH01332K