基于塞貝克（Seebeck）效應(yīng)和帕爾帖（Peltier）效應(yīng)，熱電材料利用載流子的定向移動實現(xiàn)熱能和電能之間的直接轉(zhuǎn)換，是一類很有前景的發(fā)電和制冷技術(shù)。目前，熱電轉(zhuǎn)換效率較低是限制其廣泛應(yīng)用的瓶頸，熱電器件一般需要熱電性能相匹配的p/n型半導(dǎo)體材料的組合服役，因此提升材料熱電性能是當(dāng)前研究的熱點和難點。IV-VI族化合物PbTe作為傳統(tǒng)的熱電材料之一，其p型熱電輸運性能表現(xiàn)優(yōu)越而n型性能較差，提升n型PbTe材料熱電性能是推動PbTe基熱電器件應(yīng)用的必經(jīng)之路。 近日，同濟大學(xué)聯(lián)合安徽大學(xué)、上海高壓科學(xué)技術(shù)研究中心和吉林大學(xué)的研究人員，采用間隙銅原子摻雜策略，成功在PbTe0.75Se0.25基體材料中構(gòu)建了具有溫度依賴關(guān)系的載流子濃度，實現(xiàn)了電學(xué)輸運性能的優(yōu)化；同時，利用間隙銅原子在晶格中的聚集引入高密度的晶格位錯缺陷，增大材料中的晶格應(yīng)變，實現(xiàn)了晶格熱導(dǎo)率的大幅度降低（圖1）。最終，通過電、熱輸運性能協(xié)同優(yōu)化，使得n-PbTe基熱電材料的熱電性能獲得顯著提高。近期，該工作在線發(fā)表于細(xì)胞出版社（CellPress）旗下化學(xué)旗艦期刊Chem上。文章通訊作者為同濟大學(xué)裴艷中教授和李文副教授，同濟大學(xué)研究生肖猷魏和吳怡萱為共同第一作者。圖1間隙銅原子摻雜動態(tài)優(yōu)化載流子濃度并引入晶格位錯降低晶格熱導(dǎo)率 研究人員以PbTe0.75Se0.25材料為研究基體，通過引入間隙銅原子來釋放電子，使材料表現(xiàn)出n型半導(dǎo)體的性質(zhì)。由于間隙銅原子在PbTe0.75Se0.25材料體系中的固溶度隨溫度不斷增大，從而材料的載流子濃度在升溫過程中也隨溫度升高而增大，實現(xiàn)載流子濃度的動態(tài)優(yōu)化，增強了材料寬溫域內(nèi)的電學(xué)輸運性能。在材料的熱學(xué)性能方面，由間隙銅原子聚集而引入的大量晶格位錯大幅降低了體系的晶格熱導(dǎo)率。透射電鏡觀察分析發(fā)現(xiàn)，在位錯附近晶格應(yīng)變顯著增大，該晶格應(yīng)變漲落是晶格熱導(dǎo)率下降的主要原因。晶格應(yīng)變的大小及其對聲子結(jié)構(gòu)的影響可分別由X射線衍射及拉曼光譜進(jìn)行宏觀表征。通過對材料進(jìn)行同步輻射X射線衍射實驗發(fā)現(xiàn)，相較于本征PbTe材料，含有位錯的間隙銅摻雜樣品的各個特征衍射峰都出現(xiàn)了明顯寬化和峰型不對稱現(xiàn)象（圖2A）。通過拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)，與未摻雜的樣品相比，間隙銅摻雜樣品的Gamma點橫縱光學(xué)支都出現(xiàn)了明顯的峰型展寬（圖2B）。這些現(xiàn)象充分說明了在間隙銅摻雜的樣品中，位錯引入了顯著的晶格應(yīng)變從而導(dǎo)致了聲子頻率擾動，加強了聲子散射。以碘摻雜PbTe0.75Se0.25樣品為參比對象，研究發(fā)現(xiàn)在相似程度的質(zhì)量漲落水平下，間隙銅摻雜所引入的位錯額外引入晶格應(yīng)變漲落，是晶格熱導(dǎo)率進(jìn)一步下降的內(nèi)在原因（圖2C）。圖2 位錯導(dǎo)致X射線衍射峰寬化（A）、拉曼光譜展寬（B）及晶格熱導(dǎo)率降低（C）綜上，該研究采用間隙銅原子摻雜策略，實現(xiàn)了在n型PbTe基熱電材料中的電聲輸運性能的協(xié)同優(yōu)化。不僅實現(xiàn)了載流子濃度的動態(tài)優(yōu)化，同時發(fā)展了熱電半導(dǎo)體中通過間隙摻雜誘導(dǎo)晶內(nèi)位錯（應(yīng)變）降低晶格熱導(dǎo)率的新途徑。上述研究成果有望為熱功能材料（如熱電材料）的研究和設(shè)計開發(fā)提供新的思路。裴艷中，同濟大學(xué)材料學(xué)院教授，2008年獲中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所博士學(xué)位，隨后在加州理工學(xué)院及密西根州立大學(xué)從事博士后研究， 2012年加入同濟大學(xué)獨立開展工作。主要從事熱電能源轉(zhuǎn)換材料的熱學(xué)和電學(xué)輸運性能研究，以第一、通訊作者在Nature、Joule、 Nat.Commun.、 PNAS、Adv. (Funct., Energy) Mater. Energy Environ. Sci.等IF>10期刊上發(fā)表論文 50余篇。獲中組部青年千人計劃、基金委優(yōu)秀青年基金、霍英東青年教師基金等項目資助，入選科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。
李文，同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授，博士生導(dǎo)師。2013年獲得日本靜岡大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位。同年9月加入同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。 主要研究方向為能帶和微結(jié)構(gòu)調(diào)控提升現(xiàn)有熱電材料性能以及開發(fā)新型高性能熱電材料。加入同濟大學(xué)至今，以第一、通訊作者在Nat. Commun., Adv. (Energy) Mater., Adv. Sci., ACS Energy Lett., Chem. Mater.等期刊上發(fā)表論文20余篇。
