北航又發《Science》!熱電材料又一重大進展

熱電轉換技術是一種利用Seebeck效應（溫差發電）和Peltier效應（通電製冷）實現電能與熱能相互轉換的技術，具有系統體積小、無運動部件、無磨損、無噪音和無汙染等諸多優點，在廢熱發電和電子製冷等關鍵領域有著重要的應用，如利用熱電材料的溫差發電技術是深空探測中不可替代的能源技術。

熱電轉換效率是衡量其熱電材料性能的重要參數，由熱電性能優值（ZT值）決定, 其中ZT = S2σT /κ。所以，性能優異的熱電材料應同時具有大的溫差電動勢S（維持大的溫差電壓）、高的電導率σ（減少焦耳損耗）和低的熱導率κ（保持大的溫差）。然而這些熱電參數是相互糾纏耦合的，嚴重製約了ZT值的提高，有效地調控這些複雜耦合的熱電參數是提高ZT值和轉換效率的關鍵。近年來，提高ZT值的策略層出不窮：如通過點缺陷、位錯、界面、結構納米化等多尺度缺陷設計降低熱導率（κ）；調整電子能帶結構、晶體結構對稱性、相轉變等實現高的電傳輸性能（PF = S2σ）；引入磁性納米粒子實現電-聲-磁協同調控；直接尋找具有本徵低熱導κ或高功率因子PF的熱電材料；或通過高通量計算手段篩選有效熱電材料等。

熱電材料不但需要好的電導率，也需要大的溫差電動勢，這是一對受載流子濃度制約的矛盾。本次工作主要集中在溫差電動勢和電導率的優化上，即有效質量m*和遷移率μ的協同調控（也是一對矛盾），調控的優化程度可由品質因子β來衡量，β ∝ μ(m*)3/2 。實驗上，首先通過變溫同步輻射測試獲得了不同溫度下的原子佔位信息，結合電子能帶結構計算，研究發現在SnS材料中存在多個價帶隨溫度的協同互動 。即多個價帶經歷了收斂（增加有效質量和減小遷移率），相交（收斂與分離），以及分離（減小有效質量和增加遷移率）三個過程。進一步研究發現，這一多價帶隨溫度的演變過程可以通過在SnS中引入Se實現增強，如圖1所示。

圖1.通過能帶結構調控（固溶Se），使價帶尖銳化，同時更多的價帶參與傳輸，進一步增強電輸運性能。

同時發現，Se的引入還可使多價帶尖銳化（減小有效質量和增加遷移率），而且還可促進更多的價帶（第四個價帶）參與傳輸（維持較大的有效質量）。引入Se後，在遷移率提升的同時，維持了大的有效質量，從而獲得了大的品質因子β，使SnS晶體在整個溫區內實現了很高的電傳輸性能，甚至優於具有多價帶傳輸特性的SnSe晶體（Science 351 (2016) 141-144）。SnS晶體的最大ZT值從 ~ 1.0提高到 ~ 1.6，整個溫區內平均ZT值達到 ~ 1.25。與同IV-VI族熱電材料相比，SnS是一種環境友好（environmentally-friendly）、高效（high-efficiency）、高性價比（cost-effective）的熱電材料，在未來大規模的熱電器件應用中極具吸引力。