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Cu2Se基热电材料：微结构调控与性能优化的深度探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在全球能源需求持续增长和环境问题日益严峻的背景下，高效的能源转换技术成为了研究热点。热电材料作为一种能够实现热能和电能直接相互转换的功能材料，在能源领域展现出了巨大的应用潜力。其工作原理基于塞贝克效应和帕尔贴效应，当热电材料两端存在温度差时，会产生电压差，实现热能到电能的转换，此为塞贝克效应，可应用于温差发电，将工业废热、汽车尾气余热等低品位热能转化为电能，提高能源利用效率，减少能源浪费和环境污染；反之，当施加电压时，材料会产生温度差，实现电能到热能的转换，即帕尔贴效应，可用于固态制冷，如电子设备的散热、小型冰箱等，与传统制冷技术相比，热电制冷无制冷剂，更加环保。

目前，热电材料在深空探测、5G通信、物联网自供能系统和可穿戴电子产品等领域也有着广泛的应用前景。在深空探测中，热电材料制成的放射性同位素温差发电器，能够利用放射性同位素衰变产生的热量发电，为探测器提供稳定的电力供应，满足其在远离太阳的环境下长期运行的需求。在5G通信基站中，热电材料可用于回收设备运行产生的废热，为基站的部分设备供电，降低能耗；在物联网自供能系统中，可利用环境中的微小温差实现自供电，使传感器等设备能够长期稳定工作；在可穿戴电子产品中，如智能手环，热电材料可将人体散发的热量转化为电能，为设备充电，延长续航时间。

Cu2Se基热电材料作为热电材料中的重要一员，具有独特的晶体结构和电学、热学性质，近年来受到了广泛关注。它是一种具有“声子液体-电子晶体”特征的新型快离子导体热电材料，具备中等的塞贝克系数、高的载流子迁移率和低的热导率，在中高温区具有较高的热电优值（ZT），使其在太阳能热电转换器和固态冰箱等领域成为理想材料。理论上，高的热电优值意味着材料在热电转换过程中能够更高效地将热能转化为电能或实现制冷效果。例如，在太阳能热电转换中，较高的ZT值可以使Cu2Se基材料在吸收相同太阳能热量的情况下，产生更多的电能；在固态冰箱中，能以更低的能耗实现制冷。

然而，Cu2Se基热电材料在实际应用中仍面临一些挑战。一方面，亚铜离子的迁移性导致其稳定性较差，在制备和服役过程中，亚铜离子的迁移可能会改变材料的微观结构和化学组成，从而影响材料的性能稳定性，降低其使用寿命和可靠性；另一方面，其载流子迁移率有待进一步提高，这限制了材料电学性能的提升，进而影响了热电转换效率。如在温差发电应用中，较低的载流子迁移率会导致电流输出受限，降低发电效率。

对Cu2Se基热电材料进行微结构调控与性能优化的研究具有重要的科学意义和实际应用价值。从科学研究角度来看，深入探究微结构与性能之间的关系，有助于揭示热电材料的内在物理机制，为热电材料的设计和开发提供理论基础。例如，通过研究不同微结构对载流子和声子输运的影响，可以深入理解热电转换过程中的能量传递机制，为进一步优化材料性能提供指导。从实际应用角度出发，优化后的Cu2Se基热电材料能够提高热电转换效率，降低能源消耗，在能源领域发挥更大的作用。在工业废热回收中，性能优化后的Cu2Se基热电材料可以更高效地将废热转化为电能，为企业节省能源成本；在汽车领域，可用于回收尾气余热，提高汽车的能源利用效率，减少尾气排放。因此，开展Cu2Se基热电材料的微结构调控与性能优化研究具有重要的现实意义，有望推动热电材料在能源领域的广泛应用和发展。

1.2国内外研究现状

近年来，国内外学者围绕Cu2Se基热电材料开展了大量研究，在制备工艺、微结构调控、性能优化等方面取得了一系列成果。

在制备工艺方面，多种方法被用于合成Cu2Se基材料。传统的熔炼法通过将铜和硒按一定比例在高温下熔炼，可获得成分均匀的块体材料，但存在能耗高、制备周期长的问题。如采用熔炼法制备Cu2Se块体时，需要在高温熔炉中长时间熔炼，能源消耗较大，且制备过程较为繁琐。粉末冶金法，如高能球磨结合热压烧结技术，能够细化晶粒，提高材料的致密度和性能。有研究利用高能球磨使Cu2Se粉末颗粒细化，再通过热压烧结制备出的材料，其热电性能相较于传统熔炼法有一定提升。化学合成法，如化学沉淀法、溶胶-凝胶法等，具有反应条件温和、可精确控制成分和形貌的优点。化学沉淀法可在溶液中通过化学反应生成Cu2Se纳米颗粒，这些纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大的特点，有利于后续的材料加工和性能优化。物理气相沉积法，如磁控溅射、分子束外延等，能够制备出高质量的薄膜材料，在薄膜热电领域具有重要应用。利用磁控溅射制备的Cu2Se薄膜，可用于微型热电发电机、可穿戴热电设备等。

微结构调控是提升Cu2Se基热电材料性能的重要手段。元素掺杂是常用的方法之一，通过引入杂质原子，