近日，晶体材料国家重点实验室夏盛清团队报道了一种原位加料布里奇曼晶体生长方法，借助了Mg-C金属间化合物的高温不稳定性，首次实现了低成本石墨坩埚直接生长n-型Mg3Bi1.49Sb0.5Te0.01体块晶体，相关成果以"In-Situ Loading Bridgman Growth of Mg3Bi1.49Sb0.5Te0.01Bulk Crystals for Thermoelectric Applications"为题，在线发表在材料类权威期刊Advanced Electronic Materials。该论文的单晶生长工作由山东大学团队完成，单晶热电性能表征由北京师范大学团队完成。山东大学晶体材料研究院博士研究生王琦琦与北京师范大学博士研究生李凡为共同第一作者，山东大学晶体材料研究院/晶体材料国家重点实验室夏盛清教授与北京师范大学陈玲教授为共同通讯作者，山东大学为第一完成单位。
热电器件可以实现电能和热能的相互转换，可用于废热回收、半导体制冷等领域，成为能源领域研究的热点之一，传统的商用Bi2Te3基热电材料由于含有贵金属Te，使得其大规模应用受到限制，n-型Mg3Bi2基材料在室温区和中温区均表现出优异的热电性能，且材料成本低廉，是目前最有希望替代商用Bi2Te3基合金的热电材料。通过增大晶粒尺寸可以显著提高Mg3Bi2基材料的迁移率，降低电阻，大幅度提高其在室温附近的热电性能，因此，Mg3Bi2基热电材料的单晶生长对其实际应用具有重要意义。然而，生长体块Mg3Bi2基材料单晶是一个巨大的挑战，现有的Mg3Bi2基材料单晶生长方法主要为助熔剂法，迄今为止文献中n-型Mg3Bi2基单晶仅通过Mg助熔剂法获得，且产物为毫米级不规则形状小晶体，无法进行器件加工应用。虽然采用Bi/Sb助熔剂可以生长较大尺寸的晶体，但是材料组分难以控制，且为低性能的p-型，需要通过Mg蒸气退火后处理才能转变为n-型。相比于助熔剂法，布里奇曼晶体生长方法更有希望获得大尺寸和高性能的块状单晶。然而，由于Mg的高反应活性和高蒸气压，传统的布里奇曼生长方法无法进行，这使Mg3Bi2基热电单晶生长成为一个难以攻克的课题。
为此，该团队课题组设计提出了一种原位加料布里奇曼晶体生长方法，成功使用低成本石墨坩埚直接生长n-型Mg3Bi1.49Sb0.5Te0.01体块晶体，且晶体表面光滑，与坩埚不发生腐蚀和粘结。室温附近，单晶在[110]方向测试的迁移率为220 cm2V−1s−1，热电优值（ZT）接近0.8。通过控制结晶工艺，这种技术还可应用于多晶Mg3Bi2基热电材料的快速制备，获得大晶粒尺寸、高均一性、高机械强度的体块材料，可以直接应用于器件加工。单腿器件证实，当电流为0.6A时，可以实现了10.5K的大温差，优于目前室温附近的先进热电材料，展现出极高的应用价值。
相关链接：https://doi.org/10.1002/aelm.202101125
来源：山大视点，原文链接：https://view.sdu.edu.cn/info/1021/161515.htm