中國團隊將SnSe單晶的優異熱電性能更推進一步

2020-12-01 電子發燒友

中國團隊將SnSe單晶的優異熱電性能更推進一步

李倩 發表於 2018-05-19 10:51:29

美東時間5月17日，Science雜誌線上發表一篇題為3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe 的研究論文，報導來自北航趙立東教授、南科大何佳清教授、清華李敬鋒教授、上海光源和中科院上海應用物理研究所朱方園博士、以及香港大學陳粵教授領導的合作團隊在高性能熱電材料研究的最新成果。值得一提的是，這篇論文的作者和單位全部來自中國，表明中國學者在熱電領域繼續保持國際領先地位。通過一系列實驗測試和理論計算，研究團隊闡明了n-型SnSe三維電子輸運的機理，其中面外電子軌道的重疊和連續相變導致的導帶優化是兩大關鍵因素。更重要的是，研究團隊的測試結果也得到第三方機構獨立驗證。

熱電效應是德國貴族Seebeck在1821年首次發現的（也有說法稱是更早的Volta在青蛙實驗中首先發現的），能將熱直接轉換為電或者電轉換為熱，因此在廢熱回收利用、製冷、和熱管理等諸多領域都有潛在應用。例如，當前的星級航行，就是靠熱電效應供能。雖然熱電現象已經有近200年的歷史，可是在剛剛卸任的中國材料研究會熱電分會主席趙新兵教授看來，熱電材料依然還是一個200歲的小小少年，煩惱還不少：近二十年熱電材料研究雖然非常活躍，但被寄予厚望的熱電性能數量級的提高，至今尚無重大突破。其困難是顯而易見的，高的熱電優值ZT需要材料同時具有高的電導率與塞貝克係數和低的熱導率，是科學領域活生生的熊掌和魚翅不可得兼。即便小孩子都知道，金屬既導電也導熱，陶瓷既絕緣也絕熱，而高的塞貝克係數，只能從半導體材料中找。

2014年，還在美國西北大學從事研究的趙立東博士與合作者在Nature報導超低熱導率的SnSe單晶，其材料熱電優值在面內的b-軸達到2.6。2015年，北航、美國西北大學、南科大、密西根大學、和加州理工學院合作團隊又在Science報導空穴摻雜的SnSe單晶具有超高功率因子，使器件的熱電優值達到創紀錄的1.34。這些發現，使單晶SnSe的研究迅速成為熱電領域熱點。根據谷歌學術數據，這兩篇論文在短短幾年已經被引用1800餘次。

在今天的Science論文，中國團隊將SnSe單晶的優異熱電性能更推進一步。近些年，提升熱電優值的策略要麼通過能帶工程提升功率因子，要麼通過異質結構和界面聲子散射降低熱導。SnSe超低的熱導率使其材料具有本徵的高熱電優值，可是此前針對類似SnSe這樣的層狀材料熱電性能研究主要集中在面內。雖然其面外熱導極低，但導電性能不好，限制了其熱電優值。研究人員發現，這一困難可以通過n-型摻雜予以解決。如圖1A所示，Br摻雜的n-型SnSe熱電優值在面外遠於大p-型，高達2.8，並得到第三機構驗證。其機理如圖1B所示，與p-型不同，n-型SnSe電子輸運不限於面內。這種面內面外相當的三維電子輸運在二維層狀材料極其罕見。

更細緻的比較見圖2，可以看出n-型p-型SnSe在面外塞貝克係數和熱導率差別不大，而且載流子濃度差別也不大。其電導率的不同，主要來自載流子遷移率高達兩倍的差異。通過DFT第一性原理計算，研究人員發現n-型SnSe電子密度呈三維分布，電子軌道在面外重疊，而p-型SnSe電子輸運限於面內，如圖3所示。這一差別也得到掃描隧道顯微鏡實驗的證實。

通過球差矯正透射電鏡，研究人員揭示了SnSe在加熱過程中從Pnma到Cmcm結構的連續可逆相變過程，如圖4所示，而高對稱性的Cmcm結構進一步提高了電子遷移率。基於實驗結構所進行的DFT計算表明，n-型SnSe的導帶結構導致平衡而優化的塞貝克係數和導電率，對其高熱電性能保持也非常重要。

在二維層狀材料中實現不同尋常的三維電子輸運無疑是非常令人振奮的一個發現，為優化層狀材料熱電性能提供了一個新的方向。中國是國際熱電研究的第一大國，近年有許多重要成果湧現。趙新兵教授認為，熱電材料未來是否可取得突破性發展的新理論體系的建立，和制約熱電材料及應用事業可持續發展的高附加值、高顯示度的新應用領域的發展，是今後熱電研究的方向。今天，中國團隊的最新實驗和理論成果，朝這一目標又邁進了一步。

本報導由知社獨立製作完成，未能向論文作者求證與核實。如有疏失遺漏和不準確之處，責任全在知社。

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