氧硫族化合物BICUSEO热电材料

本丛书入选国家“十四五”规划、工 信部“十四五”规划，荣获国家出版基金 作者团队在热电材料领域具有重大研究成果，在Nature、Science上发表多篇研究成果 新型热电材料的相关图书较少，填补空白 创新地提出了热电领域新的研究方向和展望 基于新研究进展撰写

热电转换技术作为一种环境友好型的能量转换技术，备受瞩目，它利用半导体热电材料直接将热能与电能进行转换，具有寿命长、无运动部件、无噪声、可靠性高、适应环境能力强等特点，在航空航天、工业余热回收利用、环境低品位能量收集、可穿戴电子设备等领域有着广阔的应用前景。氧硫族化合物BiCuSeO因具备抗氧化性和热稳定性、无 毒、储量丰富、成本低等优点，受到高度关注。   本书系统地梳理和总结了BiCuSeO的本征热电特性和发展潜力，同时基于国内外研究进展和相关理论，系统阐述了P型BiCuSeO载流子浓度优化策略、载流子迁移率提升策略和热电输运协同优化机制，以及N型BiCuSeO的研究进展，展望了BiCuSeO的未来发展趋势和面临的挑战。本书可供从事热电材料研究和器件研发的科研人员、研究生、工程技术人员参考学习，也可作为高等院校材料科学与工程、半导体、材料物理与化学、热输运等专业的教学参考用书。

赵立东 北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国 家级青年人才计划（2015）入选者，北京市杰出青年科学基金（2018）和国家杰出青年科学基金（2019）获得者，获北京市师德先锋（2016）、国际热电学会青年科 学家奖（2017）、国 家级人才计划特聘教授（2018）、科学探索奖（2022）、北京市优 秀博士学位论文指导教师（2022）、科睿唯安“全球高被引科 学家”（2019—2023）、国际材料研究学会联盟（IUMRS）前沿材料青年科 学家奖（2023）、北京市优 秀研究生指导教师（2023）、何梁何利基金科学与技术创新奖（2023）。主要研究方向为开发宽温域高 效温差发电和热电制冷材料。已在Nature 、Science等期刊上发表300余篇研究成果，担任Materials Lab创刊主编。 张潇 北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院副研究员。主要从事热电能源转换材料和复合功能涂层材料研究。主持国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金项目、重庆市自然科学基金项目等，参与重点研发计划、军委科技委项目等。以第 一作者或通信作者身份在Energy & Environmental Science 等期刊上发表论文十九篇。获中国材料研究学会科学技术奖二等奖（2/2）等荣誉。 邱玉婷 北京航空航天大学工程训练中心副教授。长期从事热电材料性能与微结构研究。作为负责人承担国家自然科学基金项目，参与国家重点研发计划青年科 学家项目等。在Advanced Energy Materials、Energy & Environmental Science、Advanced Functional Materials、Journal of the American Chemical Society等期刊上发表论文20余篇。

第1章 热电效应及常见热电材料 1
1.1 引言 1
1.2 热电材料背景概述 2
1.2.1 三大热电效应 2
1.2.2 热电效应的应用 4
1.3 热电性能评价与测试 10
1.3.1 热电性能评价 10
1.3.2 热电性能测试 13
1.4 BiCuSeO热电材料 36
1.4.1 常见热电材料 36
1.4.2 BiCuSeO的发展历史 38
1.5 本章小结 40
1.6 参考文献 40
第2章 BiCuSeO热电材料概述 48
2.1 引言 48
2.2 BiCuSeO的晶体结构 48
2.3 BiCuSeO的本征热电性能 52
2.4 本章小结 59
2.5 参考文献 59
第3章 BiCuSeO热电材料的制备方法 62
3.1 引言 62
3.2 固相反应法 62
3.3 机械合金化法 67
3.4 自蔓延高温合成法 72
3.5 脉冲激光沉积法 77
3.6 热压烧结法 80
3.7 放电等离子烧结法 83
3.8 高压合成法 87
3.9 织构化优化法 91
3.10     调制掺杂法 95
3.11     本章小结 102
3.12     参考文献 103
第4章 P型BiCuSeO载流子浓度优化策略 108
4.1 引言 108
4.2 按非化学计量比引入Cu空位  108
4.2.1 Cu空位对BiCuSeO载流子浓度的影响规律 108
4.2.2 富Cu空位BiCuSeO的热电性能 110
4.3 机械力引入Cu空位  111
4.3.1 机械力引入Cu空位原理 111
4.3.2 机械力优化BiCuSeO的热电性能 113
4.4 Bi-Cu双空位协同优化BiCuSeO热电性能的热电输运机制 118
4.4.1 Bi-Cu双空位优化BiCuSeO电输运 118
4.4.2 Bi-Cu双空位调控BiCuSeO热输运 120
4.5 碱金属或碱土金属优化BiCuSeO载流子浓度机制 121
4.6 本章小结 125
4.7 参考文献 125
第5章 P型BiCuSeO载流子迁移率提升策略 130
5.1 引言 130
5.2 织构化优化BiCuSeO载流子迁移率机制 130
5.3 调制掺杂调控BiCuSeO载流子迁移率机制 136
5.4 能带调控BiCuSeO载流子迁移率机制 143
5.5 本章小结 153
5.6 参考文献 153
第6章 Pb协同优化P型BiCuSeO的热电输运机制 156
6.1 引言 156
6.2 迁移率有效质量提升理论 156
6.3 耦合效应促进功率因子波段式提升机制 161
6.3.1 功率因子的波段式提升规律 161
6.3.2 复杂耦合效应的协同调控机制 166
6.4 能带工程和全尺度结构协同优化热电性能 176
6.4.1 能带工程优化电输运机制 177
6.4.2 全尺度结构优化热输运机制 181
6.5 价键工程和全尺度结构协同优化热电性能 183
6.5.1 价键工程的引入及载流子迁移率提升机制 183
6.5.2 全尺度结构增强声子散射机制 191
6.6 本章小结 199
6.7 参考文献 200
第7章 N型BiCuSeO的研究进展 205
7.1 引言 205
7.2 N型BiCuSeO的理论预测 205
7.3 N型BiCuSeO的实验验证 209
7.4 Bi6Cu2Se4O6（2BiCuSeO + 2Bi2O2Se）热电材料 239
7.4.1 Bi6Cu2Se4O6（2BiCuSeO + 2Bi2O2Se）概述 239
7.4.2 卤族元素对Bi6Cu2Se4O6热电性能的影响机制 240
7.5 基于N型BiCuSeO的器件构筑尝试 257
7.6 本章小结 262
7.7 参考文献 262
第8章 结语和展望 266
8.1 引言 266
8.2 其他研究策略 266
8.3 参考文献 282