日前，昆明理工大學材料科學與工程學院金屬先進凝固成形及裝備技術國家地方聯合工程研究中心葛振華教授團隊在硫化銅熱電材料的多形態相調控方面取得重要進展，相關研究以《Pseudo-polymorphic Phase Engineering for improved Thermoelectric Performance in Copper Sulfides》為題，發表在材料科學領域頂級學術期刊Advanced Materials。昆明理工大學為第一作者單位，材料科學與工程學院博士研究生楊添馭為第一作者，葛振華教授、馮晶教授為通訊作者。
硫化銅熱電材料中的多形態相調控策略示意圖
固體材料中的多態性在礦物學、晶體學、化學/生物化學、材料科學和制藥領域中普遍存在。盡管多態性很難控制，但設計特定的多形態相和相關界面結構是壓電鐵電領域提升材料性能的有效途徑。在該項工作中，將多形態相界的概念引入到硫化銅（Cu2-xS）熱電材料中，并提出了多形態相工程的概念。通過在Cu1.8S中引入額外的Cu2+離子，在室溫下獲得了Cu1.8S的高溫立方相，并由于結構有序化得到了立方相超結構，由于Cu含量的升高還引入了Cu2S的六方相，因此形成了立方相/立方相超結構/六方相的三相共存結構，并且由于晶體取向關系，這三種相結構的界面具有全共格結構，全共格相界具有弱的電子散射能力和強的聲子散射能力，因此有利于電聲解耦，提升熱電性能。最終3wt.% CuBr2摻雜的Cu1.8S在773K時的峰值ZT達到了1.25，為原始Cu1.8S樣品的2.3倍。該項工作利用原子級分辨率掃描透射電子顯微鏡證實了原始Cu1.8S低溫相向準多形態相工程構建的高溫相轉變過程，同時觀察到不同準多形態相之間的（半）共格界面的形成，變溫原位透射電鏡表征表明這種成分調制的相變具有溫度可逆性。該項工作證實了準多形態相工程是銅硫基熱電材料提升熱電性能的有效方法，并且該優化策略同樣有望應用于其他相變材料。
硫化銅熱電材料中的多形態相結構的透射電鏡表征圖
德國于利希電鏡研究中心金磊研究員、華南理工大學鄭風珊教授、陜西師范大學吳笛教授對該研究作出了重要貢獻。本課題得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、云南省應用基礎研究計劃重點項目、杰出青年基金項目的資助。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308353
