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 熱電轉換技術利用半導體內部的載流子輸運能夠實現熱能和電能之間的直接相互轉換。熱電器件具有體積小、無移動部件、無噪音、可靠性高和使用壽命長等優點，在特殊電源、余熱發電、以及便攜精密制冷等領域具有廣泛而重要的應用。圍繞碲化鉍等層狀結構熱電材料以及新型IV-VI族化合物，中國科學院寧波材料技術與工程研究所光電功能材料與器件團隊通過理論與實驗緊密結合，在綜合性能優化方面開展了一系列具有特色和成效的研究工作。

研究團隊在碲化鉍中添加硬度較高的Ge0.5Mn0.5Te，并通過區熔和熱壓兩種工藝相結合，所獲得的復合材料兼具良好的力學性能和熱電性能，從而使其更有利于微型熱電器件應用（J. Mater. Chem. A 2019, 7: 9241）。在層狀Mg基Zintl相熱電材料方面，研究團隊首先從理論角度闡述了這類材料的共性局域成建特征和多能谷調控機理（J. Mater. Chem. A 2019, 7: 8922），并與美國休斯頓大學任志鋒教授團隊合作實現了SmMg2Bi2高熵熱電材料的性能優化（J. Mater. Chem. A 2020, doi: 10.1039/c9ta13224d）。在新型IV-VI族化合物方面，研究團隊系統闡述了摻雜陽離子軌道能級和結構因子對輕重價帶的協同調控，與日本國立材料研究所Mori教授團隊合作實現了GeTe熱電優值的顯著提升（Mater. Today Phys. 2019, 9, 100094）。

最近，針對具有層狀結構的SnSe熱電材料，該研究團隊制備了PbBr2摻雜SnSe0.95單晶，并結合測試表征和第一性原理計算，揭示了晶格常數增大引起的費米面演變對熱電性能的調控規律。實驗研究發現，隨著PbBr2的含量增加，晶格常數a逐漸增大，材料電輸運性能顯著提升；當PbBr2濃度達到3%時，載流子遷移率和電導率卻急劇降低。費米面動力學研究表明，隨著晶格常數a增大，導帶低費米面逐漸變小，電子云交疊也隨之減小，當電子云交疊減小到一定程度就會導致遷移率驟降；另一方面Γ點費米面逐漸增大，增強的谷間散射也導致遷移率降低。為論證費米面動力學調控機制，研究人員基于3%PbBr2摻雜樣品進一步設計了Ge摻雜實驗，表明適當縮小晶格常數a可以提高載流子遷移率，并將最優化ZT值由0.6提升至1.7。該工作以“Fermi-surface dynamics and high thermoelectric performance along the out-of-plane direction in n-type SnSe crystals”為題發表在Energy Environ. Sci. 2020, 13: 616。

該系列研究得到了國家自然科學基金（51872301，21875273和51702334）、浙江省杰出青年基金（LR16E020001）、浙江省自然科學基金（LY18A040008和LY18E020017）和中國科學院青年創新促進會（2018337和2019298）等項目的支持。

圖 PbBr2摻雜SnSe0.95費米面動力學及熱電性能優化