近日，我校物理系何佳清教授团队分别在材料领域期刊《先进材料》（Advanced Materials，影响因子19.791）和能源领域期刊《能源与环境科学》（Energy & Environmental Science， 影响因子29.518）上发表学术论文Extraordinary Thermoelectric Performance Realized in n-type PbTe through Multiphase Nanostructure Engineering和Large Enhancement of Thermoelectric Properties in n-type PbTe via dual-site point defects。第一篇论文以访问学者张建与研究助理教授吴笛为共同第一作者，何佳清为唯一通讯作者；第二篇论文以博士后付良威和尹美杰为共同第一作者，物理系助理教授黄丽和何佳清为共同通讯作者。两篇论文均以南方科技大学为第一单位。

能源的回收和有效利用是应对当前能源危机的重要途径。热电材料本身可以实现固态条件下电和热的直接转换，由热电材料制备的热电器件，可以用于热电发电方面，例如汽车尾气废热回收、工业废热转换成电能；和热电制冷方面，例如微型芯片和精密仪器的高效制冷。热电器件的实际应用还具有无污染、无噪音和环境友好等突出优点。P型和n型热电半导体材料是热电器件的必要组件，其性能需匹配才可以同时使用。两者的匹配性能越高，由其制成的热电器件的热电转换效率才会越高。PbTe化合物作为理想的高性能p型热电材料被广泛研究，然而，由于缺乏相对应的n型热电材料，其商业应用（制作热电器件）受到了极大的限制。何佳清教授所带领的研究团队一直将PbTe热电材料和器件作为其主要研究方向之一，前期的研究表明：PbTe材料体系作为p型热电材料有着优异的性能，不但呈现出较高的热电优值ZT=2.3@923K（Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2056），并且在室温到900K的温度范围拥有较高的平均热电优值ZT_ave=1.56，因而其理论发电效率可达20.7%（Nat. Commun. 2014, 5, 4515）。这两篇论文从不同的方法和机制出发，在n型PbTe研究上实现了重大突破，极大地平衡了n型PbTe相较于p型材料性能的劣势。

第一篇论文中，该团队研究发现：通过InSb的复合及实验条件的控制，有效地在PbTe基体材料中引入多相纳米结构，可同时优化该材料体系的热、电输运性能。一方面，纳米相和基体之间的能量势垒（势阱）可以通过能量过滤效应提高Seebeck系数，进而增强功率因子；另一方面，多重纳米相的引入增强了界面处的声子散射可降低晶格热导率。最终，在n型PbTe-4％InSb复合材料中，获得极高的热电优值ZT=1.83（773 K），是目前n型PbTe材料体系中的最高值。

图1 (a) PbTe基体中的多重纳米相示意图；(b) 基于单抛物线能带模型计算的单势垒及多重势垒对功率因子的增强作用；(c) 多重纳米相复合物PbTe-x%InSb ( x=3, 4, 5 and 6) 的热电优值ZT随温度变化关系；(d) 300-723K温度范围内的平均热电优值ZT_ave 以及理论发电效率h.

第二篇论文中，该团队将金属Sb相引入n型PbTe材料中，利用小部分低温下内延形核的Sb第二相在高温下（773K）进入PbTe晶格，同时替代两个相邻Pb和Te点阵位置的特点，形成了“dual-site”点缺陷微观结构。这种微观结构不仅调节了n型PbTe材料的费米能级附近的电子态密度，提高了电学传导性能；同时又引入了额外的原子尺度的声子散射源，降低了材料的晶格热导率，最终实现了热电总体性能的大幅提升，在773K热电优值ZT达到1.8，与上篇文章的结果同为目前n-型PbTe体系的最高记录。

图2 (a) PbTe基体中的Sb纳米析出相随温度的演化。低温下，Sb以纳米析出相的形式存在于PbTe基体材料中，高温下部分较小的Sb纳米相进入PbTe晶格形成“dual-site”点缺陷；(b) 将我们的样品性能和几个最好的n型PbQ (Q=Te, Se, S)材料的文献值进行对比。我们样品的热电优值（ZT）峰值和平均热电优值ZT_ave值都要优于文献值。

这一系列研究改善了PbTe材料体系中n型材料热电性能较低的现状，使PbTe在中温区具有极大的应用前景。这些研究工作的开展和完成得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金、深圳市科创委基础研究等项目的支持。

论文链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201703148/full

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/ee/c7ee01871a

供稿：物理系