裴艳中教授课题组热电材料研究取得系列重要进展
大自然的魅力在于它能不断地启示人类去思考，春暖花开与电闪雷鸣两种自然现象传递出热能、电能两种能量的存在。热电能源转换技术利用温差驱动电子定向迁移，实现热能与电能的直接转换，是清洁能源技术的典型代表。然而，要获得与现有热机相当的转换效率，材料的平均热电优值( zT )需达3.0左右，现有研究 zT峰值 可达2.0左右。因此，提高材料热电性能是提升转换效率并推进其大规模应用的关键。
裴艳中教授2012年加盟我校材料科学与工程学院，先后获得国家“青年千人计划”和基金委优秀青年基金资助，在高性能热电材料研究与开发方面取得了系列进展。相关研究成果发表于 Nature Communications (2篇)、 Advanced Materials (3篇，IF 18.96)等高水平期刊上。高性能热电材料应同时具备高导电性和低导热性，但这两方面强烈耦合、此消彼长，难以调控。长期以来，降低晶格振动而引起的那部分热导率——晶格热导率，是提升热电性能的主要途径。
裴艳中教授课题组近年来致力于电热性质解耦、最小化晶格热导率两个方面的研究，发展了能带调控解耦电热性质、微观结构调控分级降低晶格热导率的指导思路与实现技术，协同这两类手段在多材料体系获得热电性能大幅提升。
多能带提升了电学性质研究：在前期能带调控的工作基础之上( Adv. Mater. 2012, 24 , 6125)，利用固有能带嵌套结构实现多能带传导载流子，开发了300-700 K温区内热电性能最高( zT 1)的单质材料——碲(图1)，填补了该温区高性能单质热电材料的空白( Nat. Commun. 2016, 7 , 10287)；通过能带结构研究，重新认识了传统热电材料GeTe的 zT 可高达1.8，并阐明了其高 zT 的起因源自多能带导电 ( NPG Asia Mater. 2017, 9 , e353)。
图1. Te的价带嵌套和 zT (a)及多能带结构的Fermi面示意图(b)
分级降低晶格热导率研究：一方面基于不同尺度的缺陷散射不同频率的导热基元(声子)，设计多级缺陷降低晶格热导率( κ L )。通过空位诱导形成高浓度位错，这些一维线缺陷使PbSe的 κ L 降低至玻璃态(图2)， zT 达到1.7，为当前该材料报导最高值( Nat. Commun . 2017, 8 , 13828)；利用零维点缺陷(空位和间隙)对声子的强烈散射作用，开发了具有本征空位结构的新型热电材料Cu 2 SnSe 4 ( Chem. Mater. 2016, 28 , 6227-6232) ；大幅降低了含有间隙Cu离子结构的SnTe材料的晶格热导率 ( Adv. Elec. Mater. 2016, 2 , 1600019)。另一方面，通过寻找低声子输运速度的材料(即低声速)，开发了具有已知热电材料中 κ L 最低、性能媲美于传统材料的新型热电材料体系Ag 8 SnSe 6 ( Adv. Sci. 2016, 3 , 1600196)。
图2. 一维线缺陷位错对晶格热导率的降低作用
协同上述策略大幅提升热电性能研究：协同多能带导电与间隙原子点缺陷使SnTe 材料 zT 达到1.6(提升300%)，为当前该材料最高( Adv. Mater. 2017, 29 , 1605887； ACS Energy Letters 2017, 2 , 563)；协同多能带导电与位错线缺陷使PbTe 的 zT 达到2.2，为当前该材料最高值之一( Adv. Mater. 2017, 29 ,1606768)；协同多能带导电与点缺陷使GeTe 材料 zT 达到2.0( Chem. Mater. 2017, 29 , 605)。
图3. SnTe协同电热调控的 zT 值
上述系列成果为热电性能优化设计提供了科学依据，丰富了热电性能调控手段及热电材料体系。详情可参考其课题组网页 http://www.tongji.edu.cn/~yanzhongpei 。