多种半导体类型切换可提高废热的热电转换

近年来，发达的能源消耗相当浪费。通常，近三分之二的总能量以“废热”的形式被浪费到环境中，最终导致全球变暖。寻找一种有效利用这种热量的方法一直是每个材料研究人员的首要任务。

回收电能中的废热的各种可能方法之一是使用所谓的“热电转换” —一种利用半导体中的温差直接转换为电压的过程。热电器件包括具有两种电荷载流子(即电子和空穴)的p型和n型半导体。p型和n型半导体串联连接以产生大的热电电压。因此，有必要开发具有高热电转换效率的p型和n型半导体。

科学家最近引起人们注意的一种特殊的半导体材料是单硒化锡(SnSe)，据报道，它具有世界上最高的热电转换性能指数ZT值。然而，SnSe不能容易地控制电荷载流子类型。掺杂碱金属离子可改善p型热电性能，但碱金属离子是挥发性和扩散性元素，不适用于高温应用。另一方面，添加铋和碘使其成为n型会导致电子浓度低。

在高等功能材料研究所发表的一项新研究中，由东京理工大学的一组科学家由高濑胜吉教授领导，他们发现当掺有锑(Sb)时，SnSe表示为(Sn 1-x Sb x)Se，表现出特殊的导电类型转换。具体来说，研究小组观察到在低掺杂浓度下，(Sn 1-x Sb x硒从p型导电开始，但随着掺杂的增加而切换为n型，最后在高浓度时又切换回p型。详尽的分析和计算揭示了一种有趣的电荷类型转换机制，该小组发现，该机制与Sn和Se之间的Sb取代位点的分布有关。他们将这种转换行为归因于随着掺杂的增加，主要的Sb替代位点从Se(Sb Se)转换为Sn(Sb Sn)。

科学家解释说，在极低的Sb浓度下，p型传导仅是由于锡空位提供的空穴而发生的。但是随着掺杂的增加，Sb Sn开始提供电子，而Sb Se形成“杂质带”，该杂质带允许通过它的传导，从而导致观察到的n型行为。然而，随着掺杂水平的进一步提高，费米能级接近位于Sb Se杂质能带和最小导带之间的中能带能级，从而导致p型导通。

有了如此出色的见解，结果无疑将成为SnSe潜在的游戏规则改变者。但是，高濑教授预言范围将会更广。“现在，我们了解了掺Sb的SnSe极性转换中的作用机理，我们可以希望优化体合成工艺，以进一步改善其热电性能，并进而实现高性能的热电转换器件，”推测片濑教授。

此外，研究人员还期望基于掺杂位置切换的极性控制在将来会变得更加通用，并且可以应用于载流子类型难以控制的其他半导体材料。希望这将带来一个不再浪费废热的未来!

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！