硬核！北京「超牛」博士：以第一作者在美國化學會志發表重要論文！

物聯網技術正在廣泛地影響人們的生活方式。這對無線、可穿戴、或可攜式傳感器提出了更高的要求。熱電材料可將環境/身體熱量直接轉化為電能，提出了一種可能的解決方案。近日，北京師範大學化學學院吳立明和陳玲課題組在J.Am.Chem.Soc.發文揭示室溫熱電材料[Bi2]m[Bi2Se3]n家族層間離域π鍵提升層間載流子遷移率機理。

室溫熱電材料目前還比較稀缺，轉換效率也有待提升。當前的商用材料，Bi2Te3（ZT ~ 1），是[Bi2]m[Bi2Q3]n (Q = Se, Te)家族中m : n = 0 : 1的一員，但面臨地殼中Te元素稀缺，毒性大等問題。而價廉的Bi2Se3（ZT ~ 0.15）卻又由於高熱導率，低電導率致使其轉換效率低下。近期國際同行Biswas課題組對BiSe化合物（m : n = 1 : 2的[Bi2]m[Bi2Q3]n家族成員）熱電性能研究中發現，結構中的金屬性[Bi2]雙鉍層的低能振動光學支與聲學支耦合降低了晶格熱導率。（J.Am.Chem.Soc.2018,140,5866-5872）

北京師範大學吳立明課題組、陳玲課題組發現該研究中，BiSe垂直於層方向的電輸運性能明顯優於Bi2Se3，他們認為這是一個重要的信息尚被忽略。由於有堅實的晶體化學和結構化學的基礎，他們通過DFT方法研究了[Bi2]m[Bi2Q3]n家族代表性成員，BiSe，Bi8Se7和Bi4Se3（m:n值分別為2:1,5:7,1:1）的能帶結構，發現晶體結構中Bi0（雙鉍層中零價態的Bi原子）和Bi3+（Bi2Se3層中的三價Bi離子）的px，py軌道對垂直於層結構方向（也即布利淵區的Г–A方向）的能帶具有較大貢獻，並在層間形成離域π鍵，從而增加了該方向上載流子的遷移率。同時他們提出可以用經驗參數F(F = Dpx,py(Bi0)/Dpx,py(Bi3+)) 來評估這種層間離域π鍵的強度。研究表明： F最優值為1，當化合物F值越接近1，離域π鍵作用力越大，載流子遷移率也越大。計算表明：在[Bi2]m[Bi2Q3]n家族中，Bi8Se7的F = 1.06，最接近最優值，因而具有該家族化合物最大的載流子遷移率。隨後他們通過實驗證實了上述理論推斷。實驗工作表明：合成所得的Bi8Se7在300 K時載流子遷移為（33.08 cm2/Vs），高於BiSe（26.19 cm2/Vs），具有較高電導率，室溫下ZT值與BiSe接近。進一步通過Te/Sb共摻雜, 調節導帶頂部的走勢和能量，共摻雜樣品Bi5.6Sb2.4Se5Te2的ZT值在425 K時提高到 ~ 0.7。通過單拋物線帶模型預測，Bi5.6Sb2.4Se5Te2的ZT在425 K時可達到 ~ 1.2，表明Bi8Se7基熱電材料是一種在潛在的室溫n型熱電材料。

該研究工作近期被美國化學會志接收發表（J.Am. Chem. Soc.,2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05904）。北京師範大學化學學院為唯一完成單位。化學學院博士生賈斐為論文第一作者，2015級本科生劉泳一、2018級本科生舒心、張藝凡參與部分實驗工作。該研究得到北師大高層次人才基金，國家自然科學基金、國家重點研究開發計劃的資助。

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北京師範大學化學學院的前身化學系（1922年建立）是我國高等院校最早建立的化學系之一，可追溯到1912年成立的北京高等師範學校理化部，至今有100多年的歷史。1952年，我國大規模進行院系調整時，輔仁大學化學系併入北京師範大學化學系。2005年9月，北京師範大學化學系撤系建院，並更名為北京師範大學化學學院。經過幾代學者和師生員工們的共同努力，尤其是經過改革開放以來30多年的發展，化學學院已形成一個學科分布合理、富有特色的教學和科研體系，擁有一支高素質的教學和科研隊伍，取得了豐碩的教學、科研成果，為祖國的建設和發展培養了大批優秀人才，已成為綜合實力雄厚、在我國具有重要影響的化學教育和研究機構，是我國培養高水平化學教育和科研人才的重要基地。

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