西安交大研究人员在热电材料方面取得进展

热电材料可实现热能与电能的直接相互转换，在航空航天、5G通讯、可穿戴电子产品以及废热发电等领域具有广泛的应用前景。热电材料的转换效率取决于材料的无量纲优值ZT，ZT=S2σT/κ，其中S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率，T为工作温度。高效热电材料需要同时具有高S、高σ和低κ，然而材料中导电与导热之间的矛盾传输关系使获得高ZT值比较困难。在众多热电材料体系中，PbSe因具有较平衡的导电和导热特性，一直备受研究者关注。目前对PbSe材料体系主要采用能带工程提升电传输性能或者缺陷工程降低热导率，很难实现电性能和热性能的共同优化。

近日，西安交通大学金属材料强度国家重点实验室肖钰特聘研究员与北航赵立东教授合作，通过能带锐化、动态掺杂以及半共格界面设计，实现了n型PbSe基热电材料中电子和声子的解耦传输，大幅提升其热电性能。首先，SnS固溶使PbSe的导带形状锐化，降低载流子有效质量，有利于在低温区获得高的电传输性能；然后，通过Cu间隙原子掺杂，在全温区动态优化载流子浓度，获得高的功率因子；最后，大量的SnS第二相固溶在PbSe基体中形成半共格界面，在保持高的载流子迁移率的同时增强声子散射，降低晶格热导率。以上策略共同作用，协同优化了n型PbSe的热电性能，使其平均ZT值在300-873K温区达到1.13。该工作为实现热电材料中电-声解耦传输提供了一种新思路，可广泛应用于铅硫族热电材料体系。

（a）PbSe-SnS中能带形状锐化 （b）Cu间隙原子动态掺杂

（c）室温载流子迁移率与晶格热导率 （d- g）PbSe-18%SnS-0.5%Cu样品中的半共格界面 （h）平均ZT值对比。

该研究成果以《超高载流子迁移率显著提高n型PbSe的热电性能》（Ultrahigh carrier mobility contributes to remarkably enhanced thermoelectric performance in n-type PbSe）为题发表在国际期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science）上。西安交大材料学院肖钰特聘研究员为第一作者和共同通讯作者，北航赵立东教授为共同通讯作者，感谢北京高压科学研究中心高翔教授课题组在微观结构表征方面的支持。西安交大金属材料强度国家重点实验室为论文的第一单位。该研究得到了西安交大青年拔尖人才计划、国家自然科学基金等项目的共同资助。

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d1ee03339e