同步辐射技术揭示La2CuO4陶瓷热电性能调控机理

　　热电材料是国家能源战略发展的重要材料之一，基于温差电效应(Seebeck效应)和电制冷效应(Peltier效应)，是可再生能源转化材料。基于热电材料发展起来的热电器件已经成为尖端科技(如航空航天、科学仪器)的重要元器件，研究表明，如果热电材料的热电性能能够达到30%卡诺效率，则可使其达到市场化、民用的目的。一方面高性能热电材料可以利用废热（工厂、机车、人类活动）产生电能；另一方面固体的热电材料具有环境友好的特点，不会造成二次污染，因而热电材料研究成为二十一世纪材料科学家研究的重点领域。

　　固体氧化物热电材料是一种新型的热电材料体系，其热电功率(Seebeck系数)通常都较高，通过调控成分和特定位点原子占位情况，可以很好的调控电载流子输运性能。La2CuO4是一种良好的反铁磁绝缘体材料，我们知道，这种材料在La位点掺杂，如锶,可使其获得高温超导特性。此外，该类材料中铜离子呈现d9电子组态，形成了三维Mott绝缘体。瑞士IBM研究实验室的德国物理学家J. Georg Bednorz 和 瑞士物理学家K. Alexander Müller 因发现陶瓷材料（如La2CuO4）中的高温超导特性而获得1987年诺贝尔物理学奖。基于铜氧面材料体系的输运性能(如超导)一直都是凝聚态物理研究的热点领域。清华大学南策文院士和林元华教授课题组发现，La2CuO4和La位掺杂稀土材料体系在高温下具有较好的热电性能，是具有应用前景的热电材料。

　　图1  La2CuO4的晶体结构示意图

　　利用北京同步辐射装置1W1B-X射线吸收谱实验站，他们和北京同步辐射装置研究人员合作研究了铜位点掺杂体系中的局域结构。并结合宏观测量的热电输运性能，如电导率，Seebeck系数等，阐明铜位点掺杂影响导电载流子输运，从而导致体系呈现更高的电阻率。同时，利用小极化子导电机制，可以解释随着温度升高，体系呈现金属-绝缘体转变的机理。

　　该项研究，一方面对超导体母体材料的铜基氧化物体系在高温下的输运性质进行了解释，并在原子尺度微观上阐明了掺杂诱导的宏观导电性能变化的机理。另一方面，拓展了X射线吸收精细结构谱学在功能材料体系中的应用，并对热电材料的热电性能进一步提高，工艺路线方案的优化起到指导作用。同时也体现了同步辐射谱学方法的优异性。

　　发表文章：

　　W. Xu, Y. Liu, D. Chen, Y.-H. Lin, Z. Wu, Y. Xie, B.-P. Zhang, B. Cheng, C.-W. Nan, and Z. Wu.High Temperature Transport Property of Copper site Doped La2CuO4. Journal of the American Ceramic Society. 2011, 94 (5):1471-1476.