近日，南方科技大學(xué)物理系何佳清教授團(tuán)隊(duì)分別在材料領(lǐng)域期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials，影響因子19.791）和能源領(lǐng)域期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science， 影響因子29.518）上發(fā)表學(xué)術(shù)論文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。第一篇論文以訪問(wèn)學(xué)者張建與研究助理教授吳笛為共同第一作者，何佳清為唯一通訊作者；第二篇論文以博士后付良威和尹美杰為共同第一作者，物理系助理教授黃麗和何佳清為共同通訊作者。兩篇論文均以南方科技大學(xué)為第一單位。
能源的回收和有效利用是應(yīng)對(duì)當(dāng)前能源危機(jī)的重要途徑。熱電材料本身可以實(shí)現(xiàn)固態(tài)條件下電和熱的直接轉(zhuǎn)換，由熱電材料制備的熱電器件，可以用于熱電發(fā)電方面，例如汽車尾氣廢熱回收、工業(yè)廢熱轉(zhuǎn)換成電能；和熱電制冷方面，例如微型芯片和精密儀器的高效制冷。熱電器件的實(shí)際應(yīng)用還具有無(wú)污染、無(wú)噪音和環(huán)境友好等突出優(yōu)點(diǎn)。P型和n型熱電半導(dǎo)體材料是熱電器件的必要組件，其性能需匹配才可以同時(shí)使用。兩者的匹配性能越高，由其制成的熱電器件的熱電轉(zhuǎn)換效率才會(huì)越高。PbTe化合物作為理想的高性能p型熱電材料被廣泛研究，然而，由于缺乏相對(duì)應(yīng)的n型熱電材料，其商業(yè)應(yīng)用（制作熱電器件）受到了極大的限制。何佳清教授所帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)一直將PbTe熱電材料和器件作為其主要研究方向之一，前期的研究表明：PbTe材料體系作為p型熱電材料有著優(yōu)異的性能，不但呈現(xiàn)出較高的熱電優(yōu)值ZT=2.3@923K（Energy Environ. Sci., 2015, 8, 2056），并且在室溫到900K的溫度范圍擁有較高的平均熱電優(yōu)值ZTave=1.56，因而其理論發(fā)電效率可達(dá)20.7%（Nat. Commun. 2014, 5, 4515）。這兩篇論文從不同的方法和機(jī)制出發(fā)，在n型PbTe研究上實(shí)現(xiàn)了重大突破，極大地平衡了n型PbTe相較于p型材料性能的劣勢(shì)。
第一篇論文中，該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)InSb的復(fù)合及實(shí)驗(yàn)條件的控制，有效地在PbTe基體材料中引入多相納米結(jié)構(gòu)，可同時(shí)優(yōu)化該材料體系的熱、電輸運(yùn)性能。一方面，納米相和基體之間的能量勢(shì)壘（勢(shì)阱）可以通過(guò)能量過(guò)濾效應(yīng)提高Seebeck系數(shù)，進(jìn)而增強(qiáng)功率因子；另一方面，多重納米相的引入增強(qiáng)了界面處的聲子散射可降低晶格熱導(dǎo)率。最終，在n型PbTe-4％InSb復(fù)合材料中，獲得極高的熱電優(yōu)值ZT=1.83（773 K），是目前n型PbTe材料體系中的最高值。
(a) PbTe基體中的多重納米相示意圖；(b) 基于單拋物線能帶模型計(jì)算的單勢(shì)壘及多重勢(shì)壘對(duì)功率因子的增強(qiáng)作用；(c) 多重納米相復(fù)合物PbTe-x%InSb ( x=3, 4, 5 and 6) 的熱電優(yōu)值ZT隨溫度變化關(guān)系；(d) 300-723K溫度范圍內(nèi)的平均熱電優(yōu)值ZTave 以及理論發(fā)電效率h.
第二篇論文中，該團(tuán)隊(duì)將金屬Sb相引入n型PbTe材料中，利用小部分低溫下內(nèi)延形核的Sb第二相在高溫下（773K）進(jìn)入PbTe晶格，同時(shí)替代兩個(gè)相鄰Pb和Te點(diǎn)陣位置的特點(diǎn)，形成了“dual-site”點(diǎn)缺陷微觀結(jié)構(gòu)。這種微觀結(jié)構(gòu)不僅調(diào)節(jié)了n型PbTe材料的費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度，提高了電學(xué)傳導(dǎo)性能；同時(shí)又引入了額外的原子尺度的聲子散射源，降低了材料的晶格熱導(dǎo)率，最終實(shí)現(xiàn)了熱電總體性能的大幅提升，在773K熱電優(yōu)值ZT達(dá)到1.8，與上篇文章的結(jié)果同為目前n-型PbTe體系的最高記錄。
(a) PbTe基體中的Sb納米析出相隨溫度的演化。低溫下，Sb以納米析出相的形式存在于PbTe基體材料中，高溫下部分較小的Sb納米相進(jìn)入PbTe晶格形成“dual-site”點(diǎn)缺陷；(b) 將我們的樣品性能和幾個(gè)最好的n型PbQ (Q=Te, Se, S)材料的文獻(xiàn)值進(jìn)行對(duì)比。我們樣品的熱電優(yōu)值（ZT）峰值和平均熱電優(yōu)值ZTave值都要優(yōu)于文獻(xiàn)值。
這一系列研究改善了PbTe材料體系中n型材料熱電性能較低的現(xiàn)狀，使PbTe在中溫區(qū)具有極大的應(yīng)用前景。這些研究工作的開(kāi)展和完成得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市科創(chuàng)委基礎(chǔ)研究等項(xiàng)目的支持。
