北京航空航天大学赵立东教授&肖钰博士团队：n型层状热电材料InSe中的动态载流子传输和本征低热导特性

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热电材料是一种可以在电能与热能之间实现直接转换的新型功能材料。因为其体积小、无污染、无噪音、可靠性高的特点，在热电致冷、废热回收等领域有着广阔的应用前景。材料的热电性能取决于无量纲优值ZT，ZT = S²σT/κ_tot，其中，S、σ、κ_tot和T分别代表材料的塞贝克系数、电导率、热导率和绝对温度。然而，热电参数之间存在着复杂的耦合关系，限制了材料热电性能的提升。目前，开发高性能热电材料的思路主要是通过解耦电声传输提高已有材料的热电性能，或寻找新型高效热电材料。

近年来，InSe被发现具备优良的塑性；同时，其层状、宽带隙、低对称性的结构特点，也与新型高效热电材料的筛选原则相契合。因此，InSe作为一种潜在的新型热电材料，在未来柔性和可穿戴热电设备的开发中拥有巨大的应用潜力。

图1. In₂Se₃、InSe和InSe_0.97S_0.03变温载流子浓度曲线

InSe与同为铟硒化合物的In₂Se₃相比，不同之处在于InSe中的In存在多种价态（In⁺和In³⁺），而In₂Se₃中则全部是In³⁺，这种差异使得两种材料载流子浓度的差别甚大。在该工作中，作者发现InSe在温度升高时，In⁺会因热激发而释放出两个价电子转变为In³⁺，使载流子浓度大幅提升（如图1所示，载流子浓度从300 K时的3.2×10¹³ cm^-3提升到723 K时的6.2×10¹⁶ cm^-3）。这种动态传输特性表明有望通过调控In的价态来优化载流子浓度。在此基础上，考虑到S具有比Se更强的电负性，即S具备更强的吸引电子的能力，可使基体中产生更多的In³⁺，因此，向基体中固溶S之后发现，在整个温区内的载流子浓度都得到明显提升。

图2. (a) InSe晶体结构示意图，(b) InSe_1-xS_x(x=0, 0.01, 0.03, 0.05) 总热导率和晶格热导率随温度变化曲线

InSe是一种六方结构的化合物，空间群为P6₃/mmc，具有低对称性的层状结构，如图2(a)所示。相邻层之间通过范德华力结合，这导致了强的非谐振性，造成了InSe本征低热导的特点。作者通过声速测试对InSe的弹性性能进行了探究，低杨氏模量（E ~ 20.5 GPa）和高格林内森常数（γ ~ 2.28）表明InSe中存在弱的化学键结合，解释了InSe的低热导特性，其热导率如图2(b)所示。由于低电导的原因，InSe的电子热导率极低，因而总热导率和晶格热导率几乎重合。随着S固溶量的提高，基体中形成点缺陷增多使晶格热导率显著降低，723 K时在InSe_0.95S_0.05样品中晶格热导率仅为0.6Wm^-1K^-1。动态载流子传输和本征低热导特性使得InSe成为了一种极具潜力的热电材料。并且，其热电性能可以通过卤素掺杂或生长高质量晶体得到进一步提高。该工作不仅证明了InSe是一种值得期待的新型热电材料，也提供了从电负性的角度出发对载流子浓度进行优化的思路。

以上研究论文以“Dynamic carrier transports and low thermal conductivity in n-type layered InSe thermoelectrics”为题发表于Aggregate期刊 (Aggregate. 2021;2:e92)。论文第一作者为北京航空航天大学石浩男硕士，通讯作者为北京航空航天大学赵立东教授和肖钰博士。

原文链接
https://doi.org/10.1002/agt2.92

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