北航Science：SnSe晶體晶格平面化促進高效熱電性能

作者：金爵

一、【導讀】

? ? ? ? 熱電技術作為一種能源轉化技術，可實現熱能與電能之間的直接和可逆轉換，可用于廢熱回收發電和固態電子制冷。在5G通信、集成電路、激光雷達、傳感器等關鍵領域的精確控溫中發揮著不可替代的作用。近年來通信技術和集成電路元件的高度集成化、微型化發展趨勢，以及國家能源戰略對于電子器件更低運行功耗的迫切要求，都對熱電制冷技術的發展提出了更為重大的需求。

? ? ? ?作為新一代熱電材料的典型代表，硒化錫（SnSe）由于其低毒，環境友好，地殼含量豐富，相變點下性能穩定，以及超低晶格熱導率等顯著特點而備受關注，成為最有前途的熱電材料。由于其強鍵非諧性，具有極低的熱導率。目前，已經開發出高性能的p型和n型SnSe晶體，這主要是由于它們復雜的電子能帶結構和三維（3D）電荷和2D聲子輸運特征，以及它們的晶體結構，不斷揭示它們在熱電應用中的潛力。此外，對于提升材料的熱電性能使用動量和能量多帶合成策略，在300 K時Pb合金p型SnSe晶體的功率因數（PF）為約75 mWcm^?1 K^?2，ZT 為約1.2，從而打開了SnSe晶體用于熱電發電和Peltier冷卻的大門。

二、【成果掠影】

? ? ? ?熱電技術已廣泛應用于關鍵領域，包括廢熱回收和固態冷卻。北航趙立東教授和秦炳超教授團隊受結構材料研究中“成分平坦化”概念的啟發，提出了“晶格平面化”策略，即使用適當數量的非本征原子來操縱本征缺陷并促進載流子輸運，從而實現具有更平面（平面化）晶格的高性能熱電器件。發現了具有潛在發電和珀耳帖冷卻性能的硒化錫（SnSe）晶體。廣泛的非化學計量的缺陷有較大的影響的輸運性質的SnSe，這促使其開發一個晶格planification策略的缺陷工程。證明了Cu可以填充Sn空位以削弱缺陷散射并提高載流子遷移率，從而促進功率因數超過約100 mWcm^?1 K^?2，并且在300開爾文下無量綱品質因數（ZT）為約1.5，在300至773K下平均ZT約2.2。該項工作以標題為：“Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics”，發表在期刊Science上。

三、【核心創新點】

1.實現了高性能的發電和珀耳帖冷卻SnSe晶體使用晶格平面化策略。通過在摻雜時引入少量的Cu，操縱了本征缺陷，特別是Sn空位，有利于載流子遷移率m的大幅增加。

2.此外，占據晶格中的Sn位置的Cu有效地調制晶體結構，從而促進多帶合成并進一步優化有效質量m* 和m。協同優化的電輸運導致PF大大增強。同時，所有的樣品保持固有的低熱導率，有利于在較寬的溫度范圍內的高ZT值。

3.利用SnCu_0.001Se樣品設計了一個熱電器件，轉換效率優于大多數報道的單腿和多對熱電器件在相似的溫差DT下的轉換效率。

四、【數據概覽】

圖1. 通過晶格扁平化實現高性能發電和珀耳帖冷卻。。?2023 Science

圖2. SnCuxSe的電輸運性質。?2023 Science

圖3.通過對SnCu_0.001Se中缺陷形成能和價帶結構的理論模擬揭示了Cu的多重作用。?2023 Science

圖4. 熱傳輸、無量綱品質因數ZT和發電。?2023 Science

五、【成果啟示】

? ? ? ?本文開發了一種晶格平坦化策略來操縱p型SnSe晶體中的本征缺陷。引入的微小Cu原子填充Sn空位以使晶格平坦，取代Sn以產生更多的空穴載體，并修改晶體結構以促進多帶合成，促進特別的PF和ZT值。特別是在低溫下，通過對SnCu_0.001Se基熱電器件的界面設計，實現了SnCu_0.001Se基熱電器件的高效發電和Peltier制冷。此外，改進的硬度和可加工性意味著晶格平面化策略在實際應用中的優越性。研究表明，通過晶格平面化策略，可以設計更好的器件基于高性能的SnCuxSe晶體和探索更多的高性能系統。

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7196