（通讯员 杨建林）12月8日，材料科学与工程学院在n型PbTe热电材料的研究上取得重要研究进展，以第一作者单位在能源材料顶级期刊《Energy & Environmental Science》上发表题目为Hierarchical structures lead to high thermoelectric performance in Cum+nPb100SbmTe100Se2m (CLAST) 的研究论文，该期刊影响因子为30.289，稿件录用率仅为5%左右。这是我校在国际学术前沿研究领域取得的重要突破，也是我校首次在该权威期刊上发表的研究进展。论文第一作者是我校“北航-辽宁工大先进材料联合研究中心”联合培养的研究生王斯琦，论文工作在北京航空航天大学教授赵立东指导下完成。
热电转换技术是一种利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的新能源技术。随着环境保护形势的日益严峻，研究和开发清洁能源已成为全球科学研究的重点领域。热电转换技术凭借其系统体积小、可靠性高、无污染物排放、适用温度范围广等特点被广泛关注。热电转换效率主要由热电优值ZT值的大小决定，从定义ZT = (S2σ/k)T可见，在一定的温度T下，高效热电材料应具有大的温差电动势S，优异的电导率σ和低的热导率k。但由于这几个热电参数之间存在复杂的制约关系，使得实现高的热电优值ZT值成为一个巨大的挑战。协同调控导电和导热的矛盾一直是热电材料研究领域的难题，因此“解耦热电参数”被中国科协列为“重大学科问题”中先进材料领域中的科学难题之一。PbTe基材料是一种十分具有应用潜力的中温区热电材料，目前已开发出了高性能的p型PbTe体系（ZTmax ~ 2.5），但n型PbTe体系的热电性能仍然较低。因此，迫切需要提高n型PbTe的热电性能来与p型PbTe相匹配。对于n型PbTe体系，以往的研究主要集中在通过提高载流子浓度或设计纳米结构抑制热导率来提高n型PbTe的热电性能：一方面，一些工作主要集中在提高功率因子，但对降低晶格热导率有限；另一方面，利用纳米工程降低晶格热导率的同时会降低载流子迁移率，抑制电传输性能。由此可见，发展一种平衡载流子输运和声子输运来实现高热电性能的方法是十分重要的。
在赵立东教授指导下，王斯琦开展了n型PbTe热电材料的电声协同调控方面的系统研究，在北京航空航天大学联合培养期间，取得了系列重要研究成果。论文的前期研究发现：通过优化载流子和缺陷结构开发出了多种优异的n型PbTe基热电材料（J. Alloy. Compd. 815（2020）152463、J. Alloy. Compd. 828（2020）154377）。在这些前期工作的基础上，为了进一步提升n型PbTe的热电性能，通过引入金属单质Cu，构成了一种独特的多尺度缺陷，可散射全频段声子，从而有效降低了晶格热导率。为了改善由多尺度缺陷产生的电子散射而恶化的导电性，通过进一步引入过量的Cu，可形成间隙相施主掺杂和填充空位缺陷改善导电性，从而优化了导电和导热的矛盾。论文中报道的高性能n型PbTe基热电材料成分为Cum+nPb100SbmTe100Se2m（简称为CLAST），首先在PbTe中引入三元化合物CuSbSe2，在CumPb100SbmTe100Se2m体系原位析出Cu基纳米沉淀物，增强声子散射，极大地降低了晶格热导率。在降低热导率的基础上，额外进行Cu原子掺杂形成间隙原子，优化了载流子浓度和电传输性能（图1所示）。采用X射线衍射（XRD）、扫描电镜、透射电镜、电性能和热性能测试等表征手段揭示了CLAST体系中分层结构协同优化声子和载流子的传输机制。
图1. Cum+nPb100SbmTe100Se2m中Cu基组成物的示意图
这种分层的Cu基缺陷结构（间隙原子和纳米结构）能有效地协同优化电声输运，获得了较高的室温ZT值~ 0.5，ZT最大值~ 1.4和ZTave值~ 0.94（300-723 K），并且使CLAST体系的热电性能明显优于其他n型PbTe热电材料（图2所示）。本工作证明了间隙原子通过平衡电传输和热传输的方法来提高热电性能有重要作用，提出了一种通过分层结构的设计协同优化声子和载流子输运的有效策略。
图2. CLAST体系和其他n型PbTe材料热电参数的对比
该工作主要作者包括：北京航空航天大学教授赵立东（课题组主页：http://shi.buaa.edu.cn/zhaolidong/zh_CN/index.htm）和博士后肖钰，高压科学技术先进研究中心高翔教授课题组。该工作得到了国家重点研究发展计划（2018YFA0702100、2018YFB0703600）、国家自然科学基金（51772012、51632005）、国家杰出青年科学基金（51925101）、北京市杰出青年科学基金（JQ18004）、国家创新人才博士后流动站计划（BX20190028）、中国博士后科学基金（2019M660399）以及教育部111引智计划 （B17002）的共同资助。
论文原文链接：https://doi.org/10.1039/D0EE03459B
