近日，材料學院王同敏與康慧君教授團隊在英國皇家化學學會材料領域高水平學術期刊《Materials Horizons》在線發表了“Emerging Homogeneous Superlattices in CaTiO3Bulk Thermoelectric Materials”研究論文，并評選為“Back Cover”封面文章。
熱電材料根據自身的載流子輸運特性能夠直接將熱能和電能進行相互轉化，并且具有無噪聲、無移動部件、體積小和長壽命等優點。目前熱電材料廣泛應用于熱電偶測溫相關領域，并在深空探測、便攜式冰箱、恒溫水浴槽、工業廢熱和汽車尾氣廢熱回收等領域也有一定的應用。其中，由于其良好的高溫化學穩定性、環境友好、無毒等優點，氧化物鈣鈦礦材料被認為是非常有潛力的熱電材料。CaTiO3作為鈣鈦礦的代表，因其介電、生物相容性、光催化以及儲能密度特性，已廣泛應用于高頻陶瓷電容器、醫藥、降解有機物以及移動通信系統微波頻率設備等方面。然而，由于其導電性差，CaTiO3作為熱電材料一直尚未被關注。為解決這一問題，該團隊利用高溫高真空微壓燒結技術，在純CaTiO3中制備出大量氧空位，氧空位為CaTiO3提供了熱電相互轉換的必要條件-載流子，實現了在CaTiO3材料熱電性能的從無到有。在此基礎之上，利用稀土元素La摻雜改性，使CaTiO3基熱電材料的ZT實現大幅增加，相關工作發表在國際權威期刊（Chemical Engineering Journal, 2022, 428: 131121.）。
本研究是上述研究結果的進一步延伸和發展。CaTiO3材料的較高熱導率是制約熱電性能進一步提升的關鍵，王同敏和康慧君教授團隊創造性地提出了一種新的設計思想，通過可變價Ce元素摻雜并結合微壓燒結方法獲得了由CeδCa1-δTiO3和CaTi1-δCeδO3交替層組成的均質超晶格，并在交替層之間提供了量子阱界面。由于界面處的聲子散射和熱邊界電阻，超晶格的熱導率比基體顯著降低，獲得了CaTiO3體系中最高的ZT值0.405（1031 K）。與分子外延技術、磁控濺射、激光沉積等方法相比，采用常規熱壓燒結方法在鈣鈦礦氧化物熱電材料制備出大量的超晶格結構，大大降低了生產成本，該策略有望為熱電材料中超晶格制備提供重要的理論依據。
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金屬凝固與電磁調控團隊康慧君教授、曹志強教授與王同敏教授為該論文的共同通訊作者，課題組博士生李建波為該論文的第一作者。上述研究成果得到國家自然科學基金和遼寧省興遼英才計劃和大連市科技計劃的資助。
