北航Science：SnSe晶体晶格平面化促进高效热电性能

金爵 9个月前 (05-26) 1802浏览

作者：金爵

一、【导读】

热电技术作为一种能源转化技术，可实现热能与电能之间的直接和可逆转换，可用于废热回收发电和固态电子制冷。在5G通信、集成电路、激光雷达、传感器等关键领域的精确控温中发挥着不可替代的作用。近年来通信技术和集成电路元件的高度集成化、微型化发展趋势，以及国家能源战略对于电子器件更低运行功耗的迫切要求，都对热电制冷技术的发展提出了更为重大的需求。

作为新一代热电材料的典型代表，硒化锡（SnSe）由于其低毒，环境友好，地壳含量丰富，相变点下性能稳定，以及超低晶格热导率等显著特点而备受关注，成为最有前途的热电材料。由于其强键非谐性，具有极低的热导率。目前，已经开发出高性能的p型和n型SnSe晶体，这主要是由于它们复杂的电子能带结构和三维（3D）电荷和2D声子输运特征，以及它们的晶体结构，不断揭示它们在热电应用中的潜力。此外，对于提升材料的热电性能使用动量和能量多带合成策略，在300 K时Pb合金p型SnSe晶体的功率因数（PF）为约75 mWcm−1K−2，ZT 为约1.2，从而打开了SnSe晶体用于热电发电和Peltier冷却的大门。

二、【成果掠影】

热电技术已广泛应用于关键领域，包括废热回收和固态冷却。北航赵立东教授和秦炳超教授团队受结构材料研究中“成分平坦化”概念的启发，提出了“晶格平面化”策略，即使用适当数量的非本征原子来操纵本征缺陷并促进载流子输运，从而实现具有更平面（平面化）晶格的高性能热电器件。发现了具有潜在发电和珀耳帖冷却性能的硒化锡（SnSe）晶体。广泛的非化学计量的缺陷有较大的影响的输运性质的SnSe，这促使其开发一个晶格planification策略的缺陷工程。证明了Cu可以填充Sn空位以削弱缺陷散射并提高载流子迁移率，从而促进功率因数超过约100 mWcm−1K−2，并且在300开尔文下无量纲品质因数（ZT）为约1.5，在300至773K下平均ZT约2.2。该项工作以标题为：“Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics”，发表在期刊Science上。

三、【核心创新点】

1.实现了高性能的发电和珀耳帖冷却SnSe晶体使用晶格平面化策略。通过在掺杂时引入少量的Cu，操纵了本征缺陷，特别是Sn空位，有利于载流子迁移率m的大幅增加。

2.此外，占据晶格中的Sn位置的Cu有效地调制晶体结构，从而促进多带合成并进一步优化有效质量m* 和m。协同优化的电输运导致PF大大增强。同时，所有的样品保持固有的低热导率，有利于在较宽的温度范围内的高ZT值。

3.利用SnCu0.001Se样品设计了一个热电器件，转换效率优于大多数报道的单腿和多对热电器件在相似的温差DT下的转换效率。

四、【数据概览】

图1. 通过晶格扁平化实现高性能发电和珀耳帖冷却。。©2023 Science

图2. SnCuxSe的电输运性质。©2023 Science

图3.通过对SnCu0.001Se中缺陷形成能和价带结构的理论模拟揭示了Cu的多重作用。©2023 Science

图4. 热传输、无量纲品质因数ZT和发电。©2023 Science

五、【成果启示】

本文开发了一种晶格平坦化策略来操纵p型SnSe晶体中的本征缺陷。引入的微小Cu原子填充Sn空位以使晶格平坦，取代Sn以产生更多的空穴载体，并修改晶体结构以促进多带合成，促进特别的PF和ZT值。特别是在低温下，通过对SnCu0.001Se基热电器件的界面设计，实现了SnCu0.001Se基热电器件的高效发电和Peltier制冷。此外，改进的硬度和可加工性意味着晶格平面化策略在实际应用中的优越性。研究表明，通过晶格平面化策略，可以设计更好的器件基于高性能的SnCuxSe晶体和探索更多的高性能系统。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7196

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