熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的塞貝克（Seebeck）效應(yīng)和帕爾貼（Peltier）效應(yīng)，實現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)化，具有系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物質(zhì)、有效利用低密度熱量等特點，在很多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。近年來，以skutterudite、half-Heusler、類液態(tài)材料等為代表的單相熱電材料的研究取得了進展。但受制于自身的晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)，單相熱電材料的性能幾乎均已接近甚至達到其理論極大值。
雜化材料（Hybrid material）是由二種不同物相在分子或納米尺度均勻混合所構(gòu)成的復(fù)合材料。雜化材料的一種物相為無機材料，另一種物相為有機材料。傳統(tǒng)復(fù)合材料兩相的尺寸在微米至毫米甚至更大尺度之間，物理性能往往顯示簡單的兩相“復(fù)合法則”。由于雜化材料的兩種物相在分子或納米尺度之間均勻混合，顯示出不同于兩相基體的新物理特性。目前，雜化材料在涂層、生物醫(yī)學、建筑、能源等領(lǐng)域研究深入，在熱電材料研究領(lǐng)域也有所嘗試。然而，如何實現(xiàn)第二相的均勻分散，獲得分子/納米尺度的兩相界面，以及其帶來的新效應(yīng)成為雜化熱電材料研究的難點和重點。
近日，研發(fā)人員利用金屬Cu原子與多壁碳納米管之間的化學作用和高能球磨技術(shù)，制備了碳納米管沿硒化亞銅(Cu2Se)化合物晶界單根均勻分散的雜化熱電材料，將熱電優(yōu)值大幅度提高至2.4。該無機-有機雜化熱電材料完全不同于在毫米至微米尺度混合的傳統(tǒng)復(fù)合熱電材料，展現(xiàn)出了一系列有別于Cu2Se和碳納米管的新的物理性質(zhì)，豐富和拓寬了熱電材料的設(shè)計理念。
碳納米管表面由于自由電子的存在而具有很高的化學活性。第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，當金屬Cu原子與碳納米管表面接近時，會產(chǎn)生很強的化學作用。當Cu原子距離碳納米管表面六元環(huán)中心位置1.83埃時，所形成的化學鍵的鍵能為0.24eV。這使得在利用高能球磨技術(shù)將碳納米管、單質(zhì)Cu粉和單質(zhì)Se粉混合時，一部分Cu原子可以化學吸附于碳納米管表面，進而與Se原子反應(yīng)，在碳納米管表面原位生成Cu2Se納米晶，最終獲得碳納米管在Cu2Se基體中單根均勻分散的Cu2Se/碳納米管無機-有機雜化材料。
由碳納米管和Cu2Se兩種物相所構(gòu)成的新型雜化熱電材料在很多物理性能上，超越了傳統(tǒng)復(fù)合材料中簡單的兩相“復(fù)合法則”。例如，碳納米管沿軸向的晶格熱導(dǎo)率（約2000W/mK）比Cu2Se高約4個數(shù)量級，但Cu2Se/碳納米管雜化材料的晶格熱導(dǎo)率卻遠低于兩相基體，僅為0.2-0.4W/mK。進一步研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管/Cu2Se形成的分子/納米尺度上的兩相界面對低頻聲子的散射，以及碳納米管對Cu2Se晶格的“軟化”是造成如此低晶格熱導(dǎo)率的根本原因。此外，由于碳納米管和Cu2Se具有相近的功函數(shù)，使兩相界面處的電荷耗盡層寬度并不足以導(dǎo)致對載流子的額外散射，因此Cu2Se/碳納米管雜化材料的載流子遷移率并沒有像傳統(tǒng)復(fù)合材料一樣出現(xiàn)明顯降低。綜合這些反常的電-熱輸運性質(zhì)，Cu2Se/碳納米管雜化熱電材料表現(xiàn)優(yōu)異的熱電性能。在1000K時，其最高熱電優(yōu)值zT為2.4，較Cu2Se基體提高了約30%。
除Cu原子之外，計算表明其它多種金屬原子（如Ag, Ti, Ni, Pd, Pt等）也與碳納米管、石墨烯等碳基材料存在類似的化學作用。因此，該研究可拓展至其它包含上述金屬元素的熱電材料體系以開發(fā)新型的高性能無機-有機雜化熱電材料。
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