熱電材料可以實現熱能和電能之間的直接相互轉換，在工業廢熱、汽車尾氣餘熱等低品質環境廢熱的回收利用領域展現出無可替代的優勢，具有廣闊的應用前景。近年來隨著新材料、新理論和新工藝的不斷開發和優化，熱電材料的性能也顯著提高。由於其優異的物理、化學性質，以石墨烯、過渡金屬硫族化合物等為代表的層狀二維材料在熱電領域受到了廣泛關注。
Recent Progress of Two-Dimensional Thermoelectric Materials
Delong Li, Youning Gong, Yuexing Chen, Jiamei Lin, QasimKhan, Yupeng Zhang*, Yu Li*, Han Zhang*, Heping Xie
Nano-Micro Lett.(2020)12:36
https://doi.org/10.1007/s40820-019-0374-x
本文亮點
1 詳細介紹了基於二維材料的塊體和薄膜熱電材料的研究進展，並討論了二維材料作為填充劑在複合熱電材料中的應用及優化機制。
2 綜述了基於微納器件的單層/少層二維材料本徵熱電性能測試方法及研究進展。
3 討論了基於二維材料的光-熱電效應在自供電光電器件中的應用進展及機制。
內容簡介
近年來，大量的理論預測表明，包括石墨烯、過渡金屬硫族化合物、第四主族硫族化合物、黑磷、MXene等在內的二維材料具有非常優異的熱電性能，實驗也證實這些材料具有較大的應用潛力。近日，深圳大學張晗教授等人發表綜述，詳細總結了二維材料在熱電領域的研究進展。對基於二維材料的塊體、薄膜熱電材料的應用進行了闡述，探討了二維材料作為填充劑在無機和有機熱電材料中的性能優化機制和應用進展，討論了二維材料本徵熱電性能的研究方法，探討了基於二維材料的光-熱電效應的光電探測器的研究進展。文章最後對二維材料在熱電領域的一些潛在問題和發展思路進行了總結。
圖文導讀
I 二維熱電材料的理論進展
主要介紹了二維材料熱電性能的理論模擬進展。包括石墨烯、過渡金屬硫族化合物、第四主族硫族化合物、黑磷以及MXene的理論研究進展。
II 基於二維熱電材料的實驗進展
2.1 基於二維材料的塊體熱電材料
二維材料的宏量製備一直是限制二維材料應用的重要原因之一。最近，隨著納米技術的快速發展，基於水熱法、溶膠凝膠法、電化學等方法可以實現二維材料二點大量製備，這也為基於二維材料的塊體熱電材料的研究提供了實驗基礎。圖1所示是利用溶液法製備的SnSe納米片的形貌。基於這種低維納米材料燒結的塊體熱電材料，晶粒尺寸小，存在大量的納米尺度的晶界，可以有效散射聲子，進而有效優化材料的熱電性能。
圖1 溶液法製備SnSe納米片的形貌及聲子在晶界散射示意圖。
2.2 基於二維材料的薄膜熱電材料
隨著可穿戴器件研究的興起，柔性薄膜熱電材料在近幾年也受到了廣泛研究。傳統柔性熱電材料主要是基於導電高分子，但是這類材料的熱電性能非常差，需要對其進行優化。二維材料本徵優異的機械性能使得其在柔性熱電材料領域受到廣泛關注。二維材料可以通過旋塗法、真空抽濾等簡單的方法製備成柔性薄膜。目前，基於石墨烯、TiS2、MoS2、Bi2Te3等二維材料的柔性薄膜的研究也有報導。例如通過抽濾製備的MoS2薄膜（圖2），可以轉移到任意柔性基底或者作為自支撐膜直接應用。這種薄膜具有非常優異的熱電性能，功率因子可以達到73.1□W/mK2。此外，有報導基於TiS2的薄膜，其ZT值可以達到0.28。基於二維材料的柔性薄膜的熱電性能顯著優於傳統導電高分子，有望應用於柔性器件領域。
圖2 MoS2薄膜的光學照片及微結構表徵。
2.3 基於二維材料的複合熱電材料
二維材料除了可以直接用於製備塊體或者薄膜熱電材料，還可以作為複合材料改善基體的熱電性能。二維材料作為第二相填充劑，均勻分散在基體材料中，或者富集在晶界處（圖3）。二維材料作為第二相，在材料中能夠有效散射聲子或載流子（圖3），從而在一定程度上實現電導率、賽貝克係數和熱導率的解耦合，進而優化材料的ZT值。
圖3 二維材料作為填充劑在塊體或薄膜中的性能優化機制。
III 單層或少層熱電材料性能研究
研究材料的本徵熱電性能有助於我們理解熱電效應的物理本質，進而為優化材料的熱電性能提供實驗依據和理論指導。本文詳細綜述了單層或少層二維材料熱電性能的測試方法。二維材料本徵熱電性能的測試主要是基於微納器件（圖4a）。微納器件一般是沉積在有絕緣層的矽基板上。為了測試材料的熱導率，需要儘量減少基板對材料的影響，可以將整個器件沉積在懸浮的SiNx微米線上（圖4b）。基於圖4所示的微納器件可以測試材料的面內熱電性能，但是由於層狀結構的特性，二維材料面內和垂直方向的性能具有非常大的差異。由於二維材料垂直方向厚度僅為一個或幾個原子層，測試垂直方向的熱電性能難度很大。圖5是文獻報導利用垂直器件測試(SnSe)n(TiSe2)n的垂直方向熱電性能器件及測試結果。基於這種器件可以測試材料的電導率、賽貝克係數以及熱導率。
圖4 兩種典型測試材料熱電性能的微納器件的SEM形貌。
圖5 (a)器件製備流程示意圖；(b)器件SEM形貌；(c)(SnSe)n(TiSe2)n的STEM形貌；(d)(SnSe)n(TiSe2)n的熱電性能隨n變化。
IV 二維材料的光-熱電效應
熱電材料的典型應用是構築發電器件、製冷器件以及溫度傳感器。黑磷、MoS2、WSe2、等材料有顯著的光-熱電效應，吸收光可以在材料表面產生很大的溫度變化。將熱電效應和光熱效應結合用於構築高性能的光電探測器大大拓展了熱電材料的應用領域。二維材料吸收光產生溫度變化，基於二維材料的熱電效應，在圖6所示不同結構器件中會形成內建電場。二維材料的光熱電效應能夠顯著影響材料的光電流產生過程，有利於提高光電探測器的性能。
圖6 基於石墨烯的光熱電效應的光探測器以及光功率和輸出電壓的關係。
作者簡介
張晗
本文通訊作者
深圳大學
▍主要研究領域
主要從事低維材料物理與器件研究，包括光纖雷射器、非線性光學、光纖通信與電子器件、低維材料信息光電器件、生物光學等研究。
▍主要研究成果
深圳大學光電工程學院，特聘教授，博導。中組部青年千人、國家「優青」、基金委重點項目負責人、深圳市創新團隊負責人、深圳市青年科技獎獲得者（2017年）、全球高被引科學家、美國光學學會會士等。在Naturephotonics、Nature communications、Physical Report、Chemical Society Reviews、Advanced materials、Angewandte Chemie International Edition、ACS Nano、Advanced Functional materials、Laser & Photonics Review等知名期刊上發表論文350餘篇，論文被引用超過26000次（google學術搜索），H因子為82。
▍Email:hzhang@szu.edu.cn
黎德龍
本文第一作者
深圳大學
▍主要研究領域
主要從事低維納米材料製備與表徵，及其在能源存儲與轉換領域應用。
▍主要研究成果
迄今在Nano-micro lett、ACSappl energy mater、ACS appl mater inter、Nanoscale、GreenChem等期刊上發表SCI收錄論文30餘篇，論文總引用次數1100餘次，H因子19。
Nano-Micro Letters 是上海交通大學主辦的英文學術期刊，主要報導納米/微米尺度相關的最新高水平科研成果與評論文章及快訊，在 Springer 開放獲取（open-access）出版。
文章來源：nanomicroletters
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