【期刊】Research热电材料专题出版|编委葛炳辉，任志锋共同组织
Special Issue
热电材料
固态热电技术可以实现热能与电能之间的直接相互转换，为当前的能源危机提供了一个有希望的解决方案。近年来，高效热电材料的开发引起了材料、固态物理与化学和工程等领域科学家的极大关注。在实际应用方面，高性能热电器件在发电和制冷方面表现出多重优势，已经应用于深空探测器、精准控温、余热回收、全固态制冷等；在基础研究方面，热电输运研究也已成为深入理解新兴拓扑量子材料的电子和声子传输行为的重要手段。
在2020年第4期中，Research编委安徽大学葛炳辉教授和美国休斯敦大学任志锋教授共同担任客座编辑，邀请了国内和国际热电专家供稿高质量的原创性研究和综述文章，组织了热电材料研究专题。专题涵盖了近期热电研究的多个热点方向，包括近室温区热电新星材料Mg3(Sb,Bi)2、机器学习和高通量计算指导发现新热电材料、自供电可穿戴热电器件、低热导率热电材料、拓扑材料的磁控热电输运等。
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01
通过机器学习化学调控半赫斯勒热电材料电子结构的方法研究
通信作者：G. Jeffrey Snyder, jeff.snyder@northwestern.edu
美国西北大学G. Jeffrey Snyder教授课题组借助高通量计算和机器学习的方法，研究半赫斯勒热电材料成分变化对价带结构的影响并提出如何通过成分调控提高价带简并度。首先采用高通量计算得到一系列能带结构，通过分析价带顶附近的原子轨道构成，建立电子轨道-k点能带相图并总结规律。随后借助机器学习的帮助，根据化学成分及化合价预测W点的能带简并度分布。本工作采用的轨道相图分析方法可以有效地捕捉半赫斯勒合金/固溶体中的电子结构变化规律。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/6375171
02
利用相图提高ZrNiSn半赫斯勒合金热电性能的研究
通信作者：Jiehe Sui suijiehe@hit.edu.cn；
Xingjun Liu xjliu@hit.edu.cn；
Qian Zhang zhangqf@hit.edu.cn
哈尔滨工业大学（深圳）张倩教授团队利用热力学相图方法，探究半赫斯勒热电材料ZrNi1+xSn中Ni元素的固溶度，确定该三元化合物的单相成分范围，从而指导材料微观结构和热电性能的深入研究。将热电研究与相图研究相结合，可以避免传统的试错方式。通过建立热电材料相图数据库，指导优化现有热电材料，开发新型热电材料，推进热电材料商业化应用进程，推动材料大数据的大规模研究进程。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/4630948
03
晶格应变和能带简并提升PbTe热电性能
通信作者：Binghui Ge bhge@ahu.edu；Yanzhong Pei yanzhong@tongji.edu.cn
近年来，通过能带汇聚解耦电学参量的研究取得系列重要进展，与此同时，通过引入多维度缺陷增强声子散射在降低晶格热传导方面也发挥着重要作用。基于以上理论，同济大学裴艳中教授与安徽大学葛炳辉教授合作研究发现，在PbTe热电材料中，利用MnTe和EuTe固溶可提高PbTe基体的能带简并度，进一步通过调控Na掺杂诱导形成高密度晶内位错，增大材料内的晶格应变，从而缩短声子弛豫时间并大幅降低材料的晶格热导率，实现了p-PbTe基热电材料性能的显著提升。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/8151059
04
Cu掺杂的PbSe-PbS固溶体热电材料体系高通量筛选
通信作者：Jiye Zhang jychang@shu.edu.cn；Jun Luo junluo@shu.edu.cn
近年来，随着材料基因组工程计划的提出，高通量计算以及机器学习等理念被迅速引入到热电材料领域，有效推动了热电材料的发展。由于热电材料的应用仍主要以块体材料为主，因此亟需开发基于块体样品的高通量实验技术和筛选策略。骆军教授课题组在硫族铅化合物中发现了间隙Cu的“动态掺杂”效应，并提出了调控动态掺杂效应的“间隙工程”策略。在此基础上，作者把动态掺杂效应与间隙工程策略结合，应用于PbSe-PbS固溶体体系。由于该体系涉及到多种成分，为提高筛选效率，课题组通过将高通量实验制备及表征技术与热电输运模型分析配合，实现了对该体系热电性能的筛选，并确定了最优Se/S比例。进一步地，通过在初筛成分区域内对Cu含量的精细调节，最终实现了间隙Cu掺杂PbSe-PbS体系热电性能的优化。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1736798
05
磁场大幅度调制PtSn4的热电输运性质的研究
通信作者：Chenguang Fu chenguang.fu@cpfs.mpg.de；Johannes Gooth johannes.gooth@cpfs.mpg.de
具有拓扑电子结构的高导电狄拉克半金属为研究电子和声子的异常输运行为提供了新的材料平台。马克斯-普朗克固体化学物理研究所Claudia Felser教授课题组研究发现狄拉克半金属PtSn4的热导率在磁场作用下呈现显著降低。2 K时，PtSn4的热导率在9 T磁场时急剧下降了两个数量级。此外，在磁场作用下，PtSn4同时表现出增强的纵向塞贝克效应和横向能斯特反应，在15 K时，可以实现最大的功率因子（约为80 - 100μWcm-1K-2）。相比较于零磁场，9 T磁场下的热电优值增强了约30倍。该工作为认识拓扑半金属的电子和空穴传输解耦提供了一个范例，有助于未来开发新型拓扑热电能量转换材料。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/4643507
06
n型Bi2Te3-xSex合金热电材料的设计与开发
通信作者：G. Jeffrey Snyder, jeff.snyder@northwestern.edu
Bi2Te3基合金是当前室温附近热电应用最为广泛的热电材料，其p型材料主要为Bi2Te3-Sb2Te3合金，n型材料主要为Bi2Te3-Bi2Se3合金。目前n型Bi2Te3-Bi2Se3合金在热电性能上与p型Bi2Te3-Sb2Te3合金仍有一定差距，且难以通过简单的物理模型预测n型Bi2Te3-Bi2Se3合金的电热输运性能，这无形中加大了Bi2Te3基热电器件的优化难度。美国西北大学G. Jeffrey Snyder教授课题组结合现有的文献结果，通过理论计算描述了Bi2Te3-xSex合金的电子结构及晶格热导率随成分的变化趋势，预测了Bi2Te3-xSex合金的电子输运行为，建立了Bi2Te3-xSex合金的热导模型，有望有效指导n型Bi2Te3-xSex合金热电材料的设计与开发。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/4361703
07
热电材料中的多维度缺陷工程
通信作者：Chong Xiao cxiao@ustc.edu.cn
经过几十年的发展，热电材料在理论和实验上都取得了很大的进步。缺陷工程在目前热电材料的性能优化方面起着重要作用。0D点状缺陷、1D线性缺陷、2D平面缺陷、3D块状缺陷都被引入到热电材料中，以达到优化热电性能的目的。考虑到每类缺陷的不同特点，深入了解它们在热电传输过程中的作用至关重要。中国科学技术大学肖翀团队对诱导不同类型缺陷时对载流子和声子的带状结构和传输行为的缺陷相关物理效应进行了分类和总结。包括近期在缺陷的实验表征和理论模拟方面的成果，以便准确判断缺陷的类型，为热电材料的设计服务。最后，基于目前的理论和实验成果，评述了多维缺陷对热电性能优化的策略。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/9652749
08
有潜力的热电材料：n型Mg3Sb2-xBix合金
通信作者：
Fazhu Ding dingfazhu@mail.iee.ac.cn；
Zhifeng Ren zren2@central.uh.edu
n型Mg3Sb2-xBix合金具有出色的热电性能(zT)，在余热回收和冷却应用方面展现了非常大的潜力，近年来得到了广泛的研究。中国科学院电工研究所丁发柱及休斯顿大学物理系和美国德克萨斯州超导中心任志锋团队总结了Mg3Bi2与Mg3Sb2合金化所产生的效应，包括带隙变窄、有效质量降低和载流子迁移率增加。随后，揭示了n型Mg3Sb2-xBix中缺陷控制的电性能。一方面，操纵内在和外在缺陷可以实现最佳的载流子浓度。另一方面，Mg空位主导了载流子散射机制（电离杂质散射和晶界散射）。回顾了这些材料在发电和冷却方面的应用现状和未来展望。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1219461/
09
高性能热电材料Mg3Sb2-xBix的研究进展及展望
通信作者：Chenguang Fu chenguang.fu@cpfs.mpg.de；Tiejun Zhu zhutj@zju.edu.cn
高性能低成本热电材料一直是科研工作者不断寻找与探索的一类重要能量转换材料。近年来开发的镁锑铋基合金，由于兼具二者优势而有望成为新一代的室温区热电材料。过去几年，其优异热电性能的本质原因被不断认识，进一步提高其性能的优化策略被不断提出。近日，浙江大学材料科学与工程学院硅材料国家重点实验室的赵新兵朱铁军团队，以结构、性能以及应用为主线，总结了高性能低成本的热电材料Mg3Sb2-xBix的特性。并对该类材料的大规模实际应用；在器件层面，材料的力学加工性能、合适的金属电极材料、热电模块的设计和制造以及大规模生产等内容进行了展望。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1934848/
10
基于电子输运通道保护和实空间调控提升Mg3+δSb2-yBiy近室温的热电性能的研究
通信作者：Li Huang huangl@sustech.edu.cn；Weishu Liu liuws@sustech.edu.cn
Mg3Sb2是一种近年来高度被关注的新型中温区热电材料，因为其不含有贵重元素力学性能和加工性能优良。2018年，南方科技大学刘玮书课题组报道了通过间隙掺杂过渡金属Mn有效抑制该材料中Mg空位的形成，使Mg3+δSb1.5Bi0.5：Mn0.01的室温电导率大幅提升。近期，南方科技大学材料科学与工程系刘玮书课题组，与南科大物理系张文清教授和黄丽教授合作揭示了基于电子输运通道保护思想的功率因子增益策略，并在Mg3+δSb1.0Bi1.0：Mn0.01材料中实现室温下功率因子最高达约3500 μWm-1K-2，室温ZT达到0.75。在50-250℃的温度范围的整体热电性能已经媲美经典的N型室温热电材料Bi2Te2.7Se0.3。高功率因子有助于热电材料在温差发电应用过程中实现更高的功率密度。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/1672051
11
在不含稀土元素的高迁移率和超低晶格导热率的CaMg2Bi2中实现高热电性能
通信作者：Jiehe Sui suijiehe@hit.edu.cn
CaMg2Bi2基化合物是Zintl相的一种代表性化合物，具有独特的固有层状结构，是潜在的热电材料。一般来说，合金化是通过主客原子之间的质量和应变场波动来降低晶格热导率的传统而有效的方法。阳离子位点对费米能级附近能带结构贡献很小，因此，阳离子位取代对电输运特性的影响可能微乎其微。更重要的是，热电材料的广泛应用不仅要求高价值，而且要求资源丰富、环境友好的组成元素。所以在阳离子位上采用Ba取代，通过增强点缺陷散射实现了晶格热导率的显著降低，既不明显牺牲高载流子迁移率，又提高了热电性能。结合Mg位上Zn的等电子取代引起的进一步增强的声子散射，在(Ca0.75Ba0.25)0.995Na0.005Mg1.95Zn0.05Bi1.98合金中实现了873K时0.51W m-1 K-1的超低晶格热导率，接近非晶态极限。最后，相同成分的合金在873 K时的最高热电优值为1.25，从300 K到873 K的相应的平均热电优值为0.85，呈现出与温度无关的自相容性。此外，低成本、环保的特性加上优异的热电性能也使得本研究的Zintl相CaMg2Bi2在实际应用中更具竞争力。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/5016564
12
Mg3Sb2中晶格热导率的弱温度相关性及其物理本质
通信作者：Jiong Yang jiongy@t.shu.edu.cn ; Chenguang Fu chenguang.fu@cpfs.mpg.de；Wenqing Zhang zhangwq@sustech.edu.cn
Mg3Sb2是近年来发展的新型室温热电材料，其具有较强的非谐效应，从而导致Mg3Sb2的晶格热导率较低。有趣的是，实验中多晶Mg3Sb2样品晶格热导率呈现出偏离T -1的弱温度相关性。这些结果还需要更进一步的实验理论证实，而相应的深层次物理化学原因也亟待挖掘。上海大学杨炯教授联合南方科技大学张文清教授、马普所付晨光博士、以及美国西北大学、浙江大学等数个课题组，从理论计算和实验测量两方面，揭示了Mg3Sb2的晶格热导率具有弱的温度相关性，并且这主要是由三阶力常数的温度变化导致的。进一步研究还发现，该现象与MgSb4四面体中Mg原子的非对称位移有关，为深入研究材料热导率变化的成因提供了新的思路。
https://spj.sciencemag.org/journals/research/2020/4589786/
文章来源“Research科学研究”公众号
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