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內(nèi)容簡介

　　熱電材料是一類能夠直接、可逆地實現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的新能源材料，在溫差發(fā)電和精確溫控等領(lǐng)域有著不可替代的應(yīng)用。近年來，研究人員開發(fā)出了高效且環(huán)境友好的錫硫族層狀寬帶隙熱電材料SnQ（Q= Se、S），使寬溫區(qū)內(nèi)材料的熱電性能實現(xiàn)了巨大提升，引發(fā)了熱電領(lǐng)域?qū)@類寬帶隙熱電材料的研究熱潮。本書共七章，從熱電材料的研究背景引入，介紹了層狀材料的輸運(yùn)機(jī)制，闡明了研究層狀寬帶隙熱電材料的重要性。然后，對錫硫族層狀寬帶隙熱電材料SnQ（Q= Se、S）的晶體結(jié)構(gòu)和本征熱電性能、多晶的制備及晶體的生長方法、P型晶體的多價帶輸運(yùn)效應(yīng)及性能優(yōu)化、N型晶體的“三維電荷-二維聲子”輸運(yùn)特性及性能優(yōu)化，以及多晶的輸運(yùn)性能研究和性能優(yōu)化進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)。本書對層狀寬帶隙熱電材料未來的發(fā)展進(jìn)行了展望，對熱電領(lǐng)域的科研人員和相關(guān)產(chǎn)業(yè)開發(fā)人員具有重要的指導(dǎo)意義。本書可供從事熱電材料相關(guān)研究的科研人員、熱電產(chǎn)業(yè)工作者學(xué)習(xí)參考，也可以作為高等院校材料科學(xué)與工程、物理和化學(xué)等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)參考用書。

作者簡介

　　趙立東北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，國家級青年人才計劃（2015）入選者，北京市杰出青年科學(xué)基金（2018）和國家杰出青年科學(xué)基金（2019）獲得者，獲北京市師德先鋒（2016）、國際熱電學(xué)會青年科學(xué)家獎（2017）、國家級人才計劃特聘教授（2018）、科學(xué)探索獎（2022）、北京市優(yōu) 秀博士學(xué)位論文指導(dǎo)教師（2022）、科睿唯安“全球高被引科學(xué)家”（2019—2023）、國際材料研究學(xué)會聯(lián)盟（IUMRS）前沿材料青年科學(xué)家獎（2023）、北京市優(yōu) 秀研究生指導(dǎo)教師（2023）、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎（2023）。主要研究方向為開發(fā)寬溫域高效溫差發(fā)電和熱電制冷材料。已在Nature 、Science等期刊上發(fā)表300余篇研究成果，擔(dān)任Materials Lab創(chuàng)刊主編。秦炳超北京航空航天大學(xué)卓越師資博士后，入選2023年國家博士后創(chuàng)新人才支持計劃。研究方向為SnSe等晶體熱電材料的制備、性能優(yōu)化和器件設(shè)計。已在Science、Nature Communications等期刊上發(fā)表論文40余篇，獲得3項發(fā)明專利授權(quán)。曾獲International Thermoelectric Society Goldsmid Award、國際材料研究學(xué)會聯(lián)盟（IUMRS）前沿材料研究生獎等。常誠北京航空航天大學(xué)準(zhǔn)聘副教授，入選國家級青年人才計劃。曾獲International Thermoelectric Society Goldsmid Award、中國材料研究學(xué)會熱電材料及應(yīng)用分會優(yōu) 秀青年科學(xué)家獎等。主要從事晶體和納米熱電材料的開發(fā)和研究。在Science等期刊上發(fā)表論文50余篇?，F(xiàn)任Science Bulletin特邀編委、Materials Lab執(zhí)行編輯。

圖書目錄

第 1章　錫硫族層狀寬帶隙熱電材料的研究背景　1
1.1　引言　1
1.2　熱電材料的研究基礎(chǔ)　1
1.2.1　熱電效應(yīng)及其理論　3
1.2.2　熱電材料的優(yōu)化方法　6
1.2.3　熱電領(lǐng)域的前沿進(jìn)展　15
1.3　層狀熱電材料的研究歷程　16
1.3.1　研究和開發(fā)層狀熱電材料的必要性　16
1.3.2　人工超晶格的研究　18
1.3.3　層狀材料的輸運(yùn)機(jī)制　20
1.4　錫硫族層狀寬帶隙熱電材料　21
1.4.1　SnSe基熱電材料　21
1.4.2　SnS基熱電材料　26
1.5　本章小結(jié)　29
1.6　參考文獻(xiàn)　31

第　2章錫硫族層狀寬帶隙SnQ材料的晶體結(jié)構(gòu)和本征熱電性能　37
2.1　引言　37
2.2　SnQ材料的基本性質(zhì)　38
2.2.1　SnSe材料的物理和化學(xué)性質(zhì)　38
2.2.2　SnS材料的物理和化學(xué)性質(zhì)　41
2.3　SnQ材料的晶體結(jié)構(gòu)及其特征　43
2.4　SnQ材料的本征熱電性能　47
2.5　SnQ材料的非諧振效應(yīng)和低熱導(dǎo)特性　52
2.5.1　非諧振效應(yīng)及其與熱導(dǎo)率的關(guān)系　53
2.5.2　SnQ材料的本征低熱導(dǎo)特性　62
2.5.3　SnQ材料熱導(dǎo)率的外部影響因素　74
2.6　本章小結(jié)　87
2.7　參考文獻(xiàn)　88

第3章　錫硫族層狀寬帶隙SnQ材料的制備方法　93
3.1　引言　93
3.2　SnQ多晶的制備方法　93
3.2.1　材料的合成　94
3.2.2　粉體材料的致密化處理　105
3.3　SnQ晶體的生長方法　111
3.3.1　Bridgman法　112
3.3.2　溫度梯度法　114
3.3.3　垂直氣相法　118
3.3.4　水平熔體法　120
3.3.5　水平液封法　121
3.3.6　薄膜SnSe的生長方法　123
3.4　本章小結(jié)　125
3.5　參考文獻(xiàn)　126

第4章　P型錫硫族層狀寬帶隙SnQ晶體熱電性能的優(yōu)化　132
4.1　引言　132
4.2　P型SnSe 晶體熱電性能的優(yōu)化　132
4.2.1　空穴摻雜促進(jìn)多價帶參與電輸運(yùn)　132
4.2.2　固溶及缺陷優(yōu)化策略協(xié)同調(diào)控?zé)犭娦阅堋?38
4.2.3　動量空間和能量空間的能帶對齊效應(yīng)協(xié)同優(yōu)化熱電性能　152
4.3　P型SnS 晶體熱電性能的優(yōu)化　161
4.3.1　空穴摻雜促進(jìn)多價帶參與電輸運(yùn)　161
4.3.2　多價帶交互策略協(xié)同優(yōu)化熱電性能　169
4.4　本章小結(jié)　178
4.5　參考文獻(xiàn)　179

第5章　N型錫硫族層狀寬帶隙SnQ晶體熱電性能的優(yōu)化　183
5.1　引言　183
5.2　Br摻雜的N型SnSe晶體的熱電性能研究　183
5.2.1　Br摻雜的SnSe晶體最優(yōu)熱電性能方向　184
5.2.2　Br摻雜的SnSe晶體熱電性能分析　188
5.2.3　三維電輸運(yùn)性能分析　192
5.2.4　SnSe晶體持續(xù)性相變過程　198
5.2.5　SnSe晶體中能帶的簡并和退簡并過程　204
5.3　Pb固溶的N型SnSe晶體的熱電性能研究　211
5.3.1　Pb固溶的SnSe晶體的持續(xù)性相變過程　212
5.3.2　Pb固溶的N型SnSe晶體的電輸運(yùn)性能　218
5.3.3　Pb固溶的N型SnSe晶體的能帶簡并過程　219
5.3.4　Pb固溶的N型SnSe晶體的熱輸運(yùn)性能及ZT值　221
5.4　S固溶的N型SnSe的熱電性能研究　222
5.4.1　S固溶的SnSe的高溫相變　223
5.4.2　S固溶的N型SnSe的電輸運(yùn)性能分析　224
5.4.3　S固溶的N型SnSe的熱輸運(yùn)性能分析及ZT值　225
5.5　Bi摻雜的SnSe晶體的熱電性能研究　227
5.5.1　Bi摻雜的SnSe晶體的熱電性能　227
5.5.2　Bi摻雜的SnSe晶體微觀點缺陷的STM表征　232
5.6　N型SnS晶體的研究探索　234
5.6.1　本征S空位SnS1-x晶體　235
5.6.2　Br摻雜的SnS晶體　236
5.6.3　其他N型摻雜的SnS晶體　242
5.7　本章小結(jié)　246
5.8　參考文獻(xiàn)　248

第6章　錫硫族層狀寬帶隙SnQ多晶熱電性能的優(yōu)化　253
6.1　引言　253
6.2　熔融法與機(jī)械合金化法　253
6.2.1　SnSe和SnS的二元以及三元相圖　253
6.2.2　形成能和轉(zhuǎn)換能級　260
6.2.3　本征Sn空位摻雜　264
6.2.4　非本征P型摻雜　266
6.2.5　N型摻雜　271
6.2.6　固溶與析出第二相　283
6.2.7　織構(gòu)取向　299
6.2.8　機(jī)械合金化法　305
6.3　納米合成法　310
6.3.1　溶液反應(yīng)條件對SnSe性能的影響　310
6.3.2　非穩(wěn)態(tài)摻雜固溶　323
6.3.3　N型摻雜　329
6.3.4　表面處理　332
6.3.5　納米SnS的探索與發(fā)展　337
6.4　本章小結(jié)　339
6.5　參考文獻(xiàn)　340

第7章　結(jié)語及展望　353
7.1　本書總結(jié)　353
7.2　研究展望　354
7.3　參考文獻(xiàn)　355