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热电材料是利用固体内部载流子的运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料，在温差发电和便携式制冷等领域有广阔应用前景，对节能减排、保护环境有着重要意义。热电转换技术凭借其系统体积小、无噪音、无污染、适用温度范围广、可靠性高等突出优点被广泛关注。随着能源问题日益突出以及“碳达峰”、“碳中和”目标的确立，研究和开发清洁能源已成为全球科学研究的重点领域，国家、行业和企业对热电新技术的需求十分迫切。
南京理工大学唐国栋教授团队在热电材料研究方面取得最新进展，该研究成果以“Lattice Strain Leads to High Thermoelectric Performance in Polycrystalline SnSe”为题发表于国际著名期刊ACS Nano （ACS Nano 2021, 15, 8204-8215; DOI: 10.1021/acsnano.1c01469, IF=15.88)，博士生李爽与硕士生娄许诺为共同一作。该工作提出通过晶格应变来提升热电材料性能新方法，通过在SnSe基体引入晶格应变调控原子间的相互作用来抑制材料晶格热导率，研究发现材料中的位错和层错导致了显著的晶格应变，缩短了声子的弛豫时间，从而使晶格热导率显著降低。并进一步从理论证实了晶格应变对降低SnSe晶格热导率的显著作用（图1）。同时利用Ga元素掺杂引起能带集聚和共振能级效应，有效提升了材料的塞贝克系数和功率因子。如图2所示，最终将SnSe多晶的最高热电优值提升至高达2.2，并显著提升了其宽温域热电性能，其全温区平均热电优值达到0.72，宽温域热电性能的提升有效提高了材料热电转换效率，其理论热电转换效率达到12.4%。
图1晶格应变的存在有效降低了SnSe多晶的晶格热导率
接着唐国栋教授团队在功能基元序构的高性能热电材料研究方面获得突破，该成果以“Introducing PbSe quantum dots and manipulating lattice strain contributing to high thermoelectric performance in polycrystalline SnSe”为题发表于材料物理国际著名期刊Materials Today Physics (Materials Today Physics 2021, 21, 100542；DOI: 10.1016/j.mtphys.2021.100542，IF=10.44)，博士生李爽为论文第一作者。该工作研究发现借助PbSe量子点功能基元能显著提升SnSe材料热电性能，研究人员利用强磁场原位水热合成SnSe热电材料，由于合成过程中强磁场能有效降低晶粒临界形核能，在SnSe多晶基体中生成了PbSe量子点功能基元，PbSe量子点功能基元使材料的态密度显著提升，提升了塞贝克系数，优化了电输运性能。同时借助PbSe量子点功能基元以及晶格应变调控材料声子输运过程，明显降低了材料的晶格热导率，最终大幅提升了其宽温域热电性能，其全温段范围的平均热电优值达到了0.71。以上研究为新型高性能热电材料的设计和性能优化提供了新思路和有价值的参考。
图2晶格应变与能带工程的协同作用显著优化了SnSe多晶的宽温域热电性能
上述工作得到了国家自然科学基金面上项目(52071182)，国家自然科学基金联合基金项目(U1732153)，江苏省青蓝工程中青年学术带头人，江苏省六大人才高峰高层次人才计划，中央高校基本科研专项资金(30921011107) 等项目的支持。
来源：南京理工大学
论文链接
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c01469
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542529321002030
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