深圳大学范平课题组与南昆士兰大学陈志刚课题组合作在n型多晶SnSe热电材料与CoSb3热电薄膜方面取得新进展

进展一：通过引入WSe₂/SnSe p-n 结提升n型SnSe多晶热电性能

近年来，SnSe基热电材料由于其具有适合的禁带宽度（~0.9eV)、组成元素丰富、低热导率等特性受到了很多热电学者的关注。通过各种优化手段，P型的热电优值ZT已经从0.5提升至2.5，但是关于高性能n型SnSe（ZT>1.0）的报导较少，其电-声输运机制有待进一步的探究。深圳大学范平课题组与南昆士兰大学陈志刚课题组合作，致力于制备高性能的n型SnSe多晶热电材料。该工作首次通过在Pb/I双掺杂的SnSe基热电材料中引入二维WSe₂纳米颗粒形成WSe₂/SnSe p-n 结。Pb/I双掺杂调整了SnSe的能带结构，提升电输运性能，而WSe₂/SnSe p-n 结调节载流子浓度和作为声子散射中心大大降低了热导率至~0.35W/mK，最终n型SnSe多晶的热电优值在790K达到1.35。该工作提供了一种提升n型多晶SnSe的新策略。相关研究成果以“Two-Dimensional WSe2/SnSe p-n Junctions Secure Ultrahigh Thermoelectric Performance in n-type Pb/I Co-doped Polycrystalline SnSe”为题发表在国际著名期刊Materials Today Physics，深圳大学范平教授、深圳大学郑壮豪研究员、澳大利亚南昆士兰大学陈志刚教授为该文通讯作者，深圳大学助理教授陈跃星、澳大利亚南昆士兰大学史晓磊研究员和深圳大学郑壮豪研究员为共同第一作者。

图文导读：

图1.（a）该工作优化n型多晶SnSe热电性能的示意图;(b)-(c)n型多晶SnSe样品与热电优值。

图2. Pb/I 双掺杂n 型SnSe的热电性能；通过Pb/I双掺杂同时优化了SnSe的电-声输运性能，其热电优值ZT在790K达到0.8。

图3. Sn_0.97Pb_0.03Se_0.89I_0.06-1% WSe₂样品的微观结构分析显示其SnSe 相与WSe₂两相共存。

图4. 不同WSe₂含量Pb/I双掺杂SnSe的电输运性能以及其WSe₂/SnSe p-n 结形成耗尽层示意图；

图5. 不同WSe₂含量Pb/I双掺杂SnSe的热输运性能及热电优值。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100306

进展二：高性能n型CoSb₃基热电薄膜材料的制备

近年来，随着可穿戴电子设备、微型芯片和微型传感器等的飞速发展，迫切需要高功率密度和长使用寿命的微型电源。微型热电器件可以根据电子组件与周围环境之间的温差来发电，对于便携式和可穿戴电子设备具有巨大的应用潜力。目前热电材料面对的主要问题为热电转换效率低，通常将无量纲热电优值(ZT)作为评价能量转换效率的指标，通过调控热电材料的电热输运性能实现高电导和塞贝克系数，同时降低热导率是提高ZT值的关键。CoSb₃材料由于其合适的带隙，高稳定性和环保特性，在热电薄膜领域得到了广泛关注；但CoSb₃材料的高热导率导致ZT值低，限制其应用。尤其是n型CoSb₃热电材料发展较为缓慢，其性能普遍低于p型热电材料，实现高性能n型CoSb₃基热电薄膜材料仍面临巨大挑战。

深圳大学范平课题组与南昆士兰大学陈志刚课题组合作，采用在In层上生长Ag掺杂CoSb₃薄膜的方法，调控材料的电热输运性能。基于第一性原理计算和实验结果表明，Ag和In倾向于占据CoSb₃晶格间隙位置。0.2% Ag掺杂在CoSb₃能带结构中引起杂质态，提高费米能级附近的态密度；同时，4.2% In掺杂会进一步调整带隙，提高其电导率；实现功率因子的显著增加。间隙位Ag和In原子引入的晶格缺陷和致密晶界散射声子的协同效应，有效阻止了声子的传输。在623K温度时，实现n型CoSb₃基热电薄膜的最高ZT值~0.65，为目前n型CoSb₃基热电薄膜最高值。相关研究成果以“Rational Band Engineering and Structural Manipulations Inducing High Thermoelectric Performance inn-Type CoSb₃Thin Films”为题发表在国际著名期刊Nano Energy，深圳大学范平教授、澳大利亚南昆士兰大学陈志刚教授为该文通讯作者，深圳大学郑壮豪研究员、澳大利亚南昆士兰大学史晓磊研究员和深圳大学敖冬威博士为共同第一作者。

图文导读

图1 CoSb₃基热电薄膜的微观结构：a XRD图谱，b 摇摆曲线，c 晶格常数，d Ag和In在晶格不同位置的形成能，e 制备In层上共溅Ag和CoSb₃薄膜示意图，f 原子力显微镜图像

图2 CoSb₃基热电薄膜STEM分析：a 高分辨STEM图, b Sb空位, c间隙位原子, d Cs校正STEM图, e CoSb₃晶格原子排列, f 线扫描强度。

图3n型CoSb₃基薄膜的热电性能：a 电导率随温度变化曲线，b塞贝克系数随温度变化曲线，c 光学带隙曲线，d载流子浓度和迁移率，e 有效质量和变形势随In掺杂浓度变化曲线，f 功率因子随温度变化曲线。

图4 DFT计算的能带结构：a 未掺杂CoSb₃, b Ag单掺杂CoSb₃, c Ag和In双掺杂CoSb₃。

图5n型CoSb₃基薄膜的热导率和ZT值：a热导率，b电子热导率，c晶格热导率，d Ag和In掺杂浓度与CoSb₃晶格热导关系图，eZT值，fn型热电薄膜ZT值对比。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105683

通讯作者简介：

范平，深圳大学物理与光电工程学院教授，深圳市先进薄膜与应用重点实验室主任，深圳大学薄膜物理与应用研究所所长，深圳市真空学会理事长，兼任中国真空学会理事、广东省物理学会副理事长。长期从事功能材料在能量转化的基础和应用研究，曾获得广东省自然科学二等奖，获国家滚球体育 部重大专项，广东省重大科研项目，深圳市学科布局项目等，已在Advanced Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Progress in photovoltaic, Solar energy materials andsolar cells, Applied Physics Letter等高水平杂志上发表SCI学术论文100余篇，已授权国内发明专利共12项，日本、美国、欧盟授权发明专利共7项。

陈志刚教授是澳大利亚南昆士兰大学能源学科讲席教授，澳大利亚南昆士兰大学功能材料学科带头人。长期从事功能材料在能量转化的基础和应用研究。陈志刚教授师从成会明院士和逯高清院士。2008年博士毕业后即成功申请到“澳大利亚研究理事会博士后研究员”职位，前往澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院工作，先后担任研究员，高级研究员，荣誉副教授，后转入澳大利亚南昆士兰大学担任功能材料学科带头人，先后主持共计七百万澳元的科研项目，其中包括6项澳大利亚研究委员会、1项澳大利亚研究委员会工业转化研究中心，1项澳大利亚科学院、2项州政府、10项工业项目和10项校级的科研项目。在Nat. Nanotech. (1篇)、 Nat. Commun. (3篇)、 Prog. Mater. Sci. (1篇)、 Adv. Mater. (10篇)、 J. Am. Chem. Soc. (4篇)、Angew. Chem. Int. Edit., (2篇), Nano Lett. (3篇)、Energy Environ. Sci. (3篇)、ACS Nano (13篇)、Adv. Energy Mater. (9篇)、Adv. Funct. Mater. (9篇)、Nano Energy (11篇)和 Energy Storage Mater. (1篇)等国际学术期刊上发表280余篇学术论文。

郑壮豪，法国雷恩第一大学材料学博士，2018年度国家优秀自费留学生奖学金获得者。现任深圳大学物理与光电工程学院副研究员，硕士生导师，深圳市海外高层次人才（孔雀），南山区领航人才，深圳市先进薄膜与应用重点实验室实验中心管理主任，深圳市真空学会理事。一直从事新型能源材料和器件方面的研究，着重于高性能热电材料及器件、薄膜太阳能电池、柔性可穿戴器件等的开发。主持国家自然科学基金项目、广东省自然科学面上基金项目、广东省教育厅青年创新项目、深圳市海外高层次人才启动项目和深圳市滚球体育 计划面上项目多项；获得2018年度广东省自然科学二等奖（排名第二）；长期担任Nano Energy, Journal of Power Source, Journal of Materials Chemistry A等国际知名期刊审稿人；已在Advanced Materials, Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Nanoscale、Applied Physics Letters、ACS Applied Materials Interface等国内外主要专业期刊上发表SCI收录论文100余篇；获得美国和日本等国家授权发明专利7项，国内发明专利授权12项。

史晓磊博士就职于澳大利亚南昆士兰大学未来材料中心，开放学术期刊Micromachines特刊编辑（IF=2.523）。于2008及2011年在北京滚球体育 大学分别取得材料学学士及硕士学位，毕业后就职于清华大学摩擦学国家重点实验室深圳微纳研究室进行科研工作。2015年获得澳大利亚国际留学生全额奖学金（RTP）开始在澳大利亚昆士兰大学攻读博士，2018年度国家优秀自费留学生奖学金获得者，并于2019年获得博士学位。其研究方向集中于热电材料，材料表面与界面，化学以及纳米科学领域。共在Chem. Rev. （1篇），Prog. Mater. Sci. （1篇），Energy Environ. Sci.（2篇），Adv. Mater.（1篇），Adv. Energy Mater.（2篇），ACS Nano（1篇），Energy Storage Mater.（1篇），Adv. Sci.（1篇），Nano Energy（7篇），ACS Energy Lett.（1篇），J. Mater. Chem. A（1篇），Chem. Mater.（2篇）等国际学术期刊上发表论文80余篇，中国发明专利4项，其中以第一及通讯作者身份发表论文近 30篇。这些论文被SCI引用1700余次，H-index达到25。

陈跃星，广岛大学量子与物质科学博士，现任深圳大学物理与光电工程学院助理教授，硕士生导师，深圳市海外高层次人才（孔雀），南山区领航人才，长期从事热电材料领域相关研究工作。迄今共发表SCI论文40余篇，其中以第一/通讯作者在Advanced Functional Materials（2篇）,Materials Today Physics, ACS Applied Materials & Interfaces, Inorganic Chemistry Frontiers等期刊发表论文19篇，授权国家发明专利5项。

基金支持：

该工作得到了国家自然科学基金 (批准号11604212)，广东省基础和应用基础研究基金(2019A1515110107, 2020A1515010515)，深圳重点实验室基金(ZDSYS 20170228105421966)，南昆士兰大学战略研究基金和南昆士兰大学启动资金的支持。

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