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　　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(wú)機(jī)材料，另一種物相為有機(jī)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(jiǎn)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(xué)、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(shí)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(lái)的新效應(yīng)成為雜化熱電材料研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

 

　　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(xué)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(wú)機(jī)-有機(jī)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(jì)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(xué)活性。第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬Cu原子與碳納米管表面接近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的化學(xué)作用。當(dāng)Cu原子距離碳納米管表面六元環(huán)中心位置1.83埃時(shí)，所形成的化學(xué)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(shí)，一部分Cu原子可以化學(xué)吸附于碳納米管表面，進(jìn)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(wú)機(jī)-有機(jī)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(jiǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)，但Cu2Se/碳納米管雜化材料的晶格熱導(dǎo)率卻遠(yuǎn)低于兩相基體，僅為0.2-0.4W/mK。進(jìn)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(duì)低頻聲子的散射，以及碳納米管對(duì)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(duì)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(yùn)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(shí)，其最高熱電優(yōu)值z(mì)T為2.4，較Cu2Se基體提高了約30%。

 

　　除Cu原子之外，計(jì)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(xué)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(wú)機(jī)-有機(jī)雜化熱電材料。