北航新年第一篇science

一、 【科学背景】

热电技术通过热能与电能的直接转换为低碳清洁能源提供解决方案，关键在于提高材料的转换效率（ZT值）。热传导与电导的矛盾使这一目标难以实现，研究人员通过优化载流子浓度、迁移率、能带结构等提升了ZT值。由于Bi₂Te₃和PbTe含有稀有、有毒元素，研究转向地球丰度高、成本低、无毒的材料。SnSe凭借其优异的热电性能成为重要材料，而硫化锡（SnS）作为SnSe的类似物，因其较高的地球丰度和低成本，成为热电模块的有前景候选。尽管SnS多晶电性能较差，单晶生长显著提升了其电性能，空穴掺杂和多个价带的相互作用进一步增强了其热电潜力。

二、【科学贡献】

近日，北京航空航天大学赵立东教授团队、常诚、秦炳超联合北大国防滚球体育 创新研究院常超等在Science发表了题为“Quadruple-band synglisis enables high thermoelectric efficiency in earth-abundant tin sulfide crystals”的论文。他们通过促进四个价带在能量和动量空间的汇聚（即四重带协同效应），提升了SnS晶体的热电效率。通过引入更多的Sn空位，激活四重带协同效应，并通过在合金化的Se-SnS中引入SnS₂，促进载流子传输，最终使p型SnS晶体在300K时达到了约1.0的无量纲优值（ZT），并在300K至773K的温度范围内获得了约1.3的平均ZT值。此外，还获得了约6.5%的实验效率，所制造的热电制冷器在353K时实现了最大约48.4K的冷却温差。该研究结果应引起对地球丰富的SnS晶体在废热回收和热电制冷领域应用的关注。

图1：多带p型SnS晶体的四重带同步和热电性能参与了电输运。© 2025 AAAS

图 2. SnS_0.9Se_0.1+xSnS₂的电传输特性© 2025 AAAS

图 3. 通过SR-XRD、XAFS和太赫兹光谱测量表征SnS_0.9Se_0.1+xSnS₂(x=0和0.03)晶体的n和μ。© 2025 AAAS

图4：由ARPES观察到的能带结构。© 2025 AAAS

图 5. SnS_0.9Se_0.1+xSnS₂的κ、μw/κlat、ZT和器件性能© 2025 AAAS

三、【科学启迪】

总而言之，通过促进四重带协同效应，显著提升了地球丰富、宽带隙p型SnS晶体的热电性能。SnS中引入SnS₂增加了Sn空位，激活了所有四个价带，从而提高了电性能，并显著提升了PF值（300K时约为58 mW cm⁻¹ K⁻²）。优化后的电学性能使p型SnS₀.₉Se₀.₁+₀.₀₃SnS₂晶体在室温时达到了约1.0的ZT值，300K至773K的平均ZT值为约1.3。制造的单腿设备实现了约6.5%的转换效率，七对热电制冷器在303K和353K时的最大冷却温差分别为37.7K和48.4K。SnS在热电发电和冷却性能上优于其他SnS基材料，且因其丰富、低成本和环保特性，展现了广泛应用的潜力。

原文详情：Shan Liu et al. ,Quadruple-band synglisis enables high thermoelectric efficiency in earth-abundant tin sulfide crystals.Science387,202-208(2025).DOI:10.1126/science.ado1133

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