北航赵立东教授课题组《Science》：在热电材料研究上取得的新进展
最新一期 Science 杂志刊登了北航赵立东教授课题组在热电材料上的又一重大进展：他们将研究对象从 SnSe 转向更廉价、无毒并含量丰富的 SnS。通过调变电子能带结构实现热电性能的调控与提升。
热电转换技术是一种利用Seebeck效应（温差发电）和Peltier效应（通电制冷）实现电能与热能相互转换的技术，具有系统体积小、无运动部件、无磨损、无噪音和无污染等诸多优点，在废热发电和电子制冷等关键领域有着重要的应用，如利用热电材料的温差发电技术是深空探测中不可替代的能源技术。
热电转换效率是衡量其热电材料性能的重要参数，由热电性能优值（ZT值）决定, 其中ZT = S2σT /κ。所以，性能优异的热电材料应同时具有大的温差电动势S（维持大的温差电压）、高的电导率σ（减少焦耳损耗）和低的热导率κ（保持大的温差）。然而这些热电参数是相互纠缠耦合的，严重制约了ZT值的提高，有效地调控这些复杂耦合的热电参数是提高ZT值和转换效率的关键。近年来，提高ZT值的策略层出不穷：如通过点缺陷、位错、界面、结构纳米化等多尺度缺陷设计降低热导率（κ）；调整电子能带结构、晶体结构对称性、相转变等实现高的电传输性能（PF = S2σ）；引入磁性纳米粒子实现电-声-磁协同调控；直接寻找具有本征低热导κ或高功率因子PF的热电材料；或通过高通量计算手段筛选有效热电材料等。
热电材料不但需要好的电导率，也需要大的温差电动势，这是一对受载流子浓度制约的矛盾。本次工作主要集中在温差电动势和电导率的优化上，即有效质量m*和迁移率μ的协同调控（也是一对矛盾），调控的优化程度可由品质因子β来衡量，β ∝ μ(m*)3/2 。实验上，首先通过变温同步辐射测试获得了不同温度下的原子占位信息，结合电子能带结构计算，研究发现在SnS材料中存在多个价带随温度的协同互动 。即多个价带经历了收敛（增加有效质量和减小迁移率），相交（收敛与分离），以及分离（减小有效质量和增加迁移率）三个过程。进一步研究发现，这一多价带随温度的演变过程可以通过在SnS中引入Se实现增强，如图1所示。同时发现，Se的引入还可使多价带尖锐化（减小有效质量和增加迁移率），而且还可促进更多的价带（第四个价带）参与传输（维持较大的有效质量）。引入Se后，在迁移率提升的同时，维持了大的有效质量，从而获得了大的品质因子β，使SnS晶体在整个温区内实现了很高的电传输性能，甚至优于具有多价带传输特性的SnSe晶体（Science 351 (2016) 141-144）。SnS晶体的最大ZT值从 ~ 1.0提高到 ~ 1.6，整个温区内平均ZT值达到 ~ 1.25。与同IV-VI族热电材料相比，SnS是一种环境友好（environmentally-friendly）、高效（high-efficiency）、高性价比（cost-effective）的热电材料，在未来大规模的热电器件应用中极具吸引力。
图1.通过能带结构调控（固溶Se），使价带尖锐化，同时更多的价带参与传输，进一步增强电输运性能。
该工作主要得到了国家自然科学基金基础科学中心项目（51788104）、国家重点研究开发项目（2018YFA0702100, 2018YFB0703600）、国家自然科学基金面上项目 （51772012, 51632005, 51571007）、北京市杰出青年基金项目（JQ18004）和教育部111引智计划（B17002）等的资助。
论文链接：
https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1418
来源：北京航空航天大学
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