近日，南方科技大学物理系讲席教授何佳清团队基于化学键极性、带隙与塞贝克系数之间的物理关联，建立了从原子结构到宏观热电性能的定量关联框架，实现了由原子尺度元素分布直接预测材料性能的突破。相关研究成果以“Atomic-Scale Chemical Inhomogeneity as a Determinant of Thermoelectric Transport in Bi₂Te₃-Based Materials”为题，发表在物理学期刊 Physical Review X。该研究在原子尺度上揭示了碲化铋基热电材料中固有的化学不均匀性结构，系统阐明了其形成机制及其对热电输运的决定性影响。

热电材料能实现热能与电能的直接转换，在精密温控、深空探测与工业余热回收等领域具有重要应用。然而，其能量转换效率长期受限，关键瓶颈在于对材料中微观结构与宏观输运之间内在关联机制认识不足。Bi₂Te₃ 基材料是室温区性能最优的热电体系之一，已广泛应用于微型制冷和高精度温控领域。在该体系中，通过引入锑（Sb）或硒（Se）进行合金化被认为是提升性能的有效策略。长期以来，学界普遍认为，在 Bi₂Te_3-xSe_x 固溶体中，Se 原子会优先完全占据五重层结构中的中心层 Te⁽²⁾ 位点，随后才逐步进入外层 Te⁽¹⁾ 位点。然而，何佳清团队利用球差校正透射电镜的原子分辨能谱成像技术，并结合自主开发和发展的数据降噪方法，在原子尺度清晰解析了 Se 在五重层结构中的真实占位情况（图1）。 结果表明，在不同成分范围内，Se 原子同时占据Te⁽¹⁾ 与 Te⁽²⁾ 位点，但始终在中心层显著富集，形成稳定的局域化学不均匀结构。这一特征在整个成分区间内普遍存在，表明其为Bi₂Te_3-xSe_x体系的内禀结构特征，而非理想固溶模型所假设下的均匀分布。研究团队进一步定量测得各层位 Se 占位比例，构建了包含真实局域不均匀性的精确原子模型，修正了以往仅基于平均结构信息建立的结构模型。

图1 Bi₂Te_3-xSe_x 的局部化学不均匀性

在局域化学不均匀结构的形成机制方面，研究团队通过原子尺度电荷密度成像与电子能量损失谱分析，直接揭示了 Bi₂Te₃ 中心层与外层之间的本征键合差异（图2）。实验结果显示，外层 Te 原子表现出更强的负电荷特征，而中心层 Te 原子则呈现不同的电荷分布与化学价态，表明中心层 Bi–Te 键更具共价特性，外层 Bi–Te 键则相对更具离子性。该结果为持续六十余年的 Bi₂Te₃ 化学键合差异理论提供了首个原子尺度的实验证据。基于层位依赖的键能与电性差异，更具电负性的 Se 原子在合金化过程中优先取代中心层 Te⁽²⁾ 位点，从而降低体系形成能并形成稳定的局域化学不均匀结构。结合第一性原理计算与热力学模型分析，研究进一步发现， Se 的空间分布由形成焓与构型熵之间的竞争共同决定，实验观测到的元素分布正对应合成温度下的热力学平衡状态。这表明，Bi₂Te_3-xSe_x 体系中的局域化学不均匀性源于化学键差异与有限温度热力学效应的协同作用。

图2 Bi₂Te₃ 化学键合差异的原子尺度分析

更为重要的是，研究团队发现 Bi₂Te_3-xSe_x 材料局部化学不均匀性可以直接调控热电性能。随着中心层 Se 富集程度变化，化学键极性、带隙宽度与塞贝克系数呈现一致趋势（图3）：中心层与外层的 Se 含量差异越大，化学键极性越强，带隙越宽，塞贝克系数也越高。基于上述规律，研究团队构建了首个将原子尺度位点占据与宏观热电输运性能直接耦合的定量模型，实现了从电子显微镜结构观测到宏观输运参数的跨尺度预测。

图3 Bi₂Te_3-xSe_x 局部化学不均匀性与电输运性能的定量关联

该研究建立了 Bi₂Te₃ 基热电材料“原子结构—化学键—电子结构—输运性能”的跨尺度关联机制，不仅为高性能热电材料的精准设计提供了新的理论基础，也为层状功能材料中结构—性能耦合关系的研究提供了重要范式。

南科大物理系研究助理教授王戊（现为深圳技术大学副教授）、北京应用物理与计算数学研究所崔娟助理研究员、南科大物理系博士生王忠斌为论文共同第一作者。王戊与何佳清为论文共同通讯作者。南方科技大学为论文第一单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市杰出人才培养基金等项目资助，以及南科大公共分析测试中心的支持。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/qqrq-ths7

供稿：物理系

通讯员：李明原

主图：丘妍

编辑：曾昱雯