人民網(wǎng)北京12月31日電 (記者趙竹青)據(jù)國家自然科學(xué)基金委員會網(wǎng)站消息，北京航空航天大學(xué)趙立東教授率領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)，在熱電能源材料研究領(lǐng)域取得新進(jìn)展，太原科技大學(xué)宿力中教授團(tuán)隊(duì)參與此項(xiàng)工作。相關(guān)研究成果以“擴(kuò)展硒化錫Cmcm相的溫度區(qū)間實(shí)現(xiàn)優(yōu)異熱電性能”為題，于2025年12月19日發(fā)表于《Science》雜志上。

能源是人類社會賴以生存及社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，然而在使用過程中約有超過50%的能量以廢熱的形式浪費(fèi)掉，若能將這些熱能回收并轉(zhuǎn)成電能，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。熱電技術(shù)可將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換，可基于塞貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，又可基于珀?duì)柼?yīng)實(shí)現(xiàn)熱電制冷，在深空探測電源、集成電路熱管理等關(guān)鍵領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。熱電材料的轉(zhuǎn)換效率主要由其無量綱熱電優(yōu)值(ZT= (S2σ/κ) T)所決定。在給定溫度T下，高效熱電材料應(yīng)具備：大塞貝克系數(shù) S(以產(chǎn)生大的溫差電壓)、高電導(dǎo)率σ(以減少焦耳熱損耗)以及低熱導(dǎo)率κ(以維持大的溫差)。然而，這些熱電參數(shù)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系限制了ZT值的提升。

硒化錫(SnSe)的層狀低對稱晶體結(jié)構(gòu)為解耦熱電參數(shù)間的復(fù)雜耦合關(guān)系提供了可能。SnSe在~800 K會經(jīng)歷由Pnma相到Cmcm相的相變，即~800 K為Cmcm相。此前的研究都聚焦于Pnma相SnSe晶體，然而其具有更高對稱性的Cmcm相的熱電性能的潛力仍未被開發(fā)，同時，基于N型SnSe晶體面外方向的熱電器件研究仍為空白。該工作聚焦于高對稱Cmcm相N型SnSe晶體，通過大比例固溶高對稱相(立方相PbSe)拓寬了Cmcm相的溫度穩(wěn)定范圍。同時，Cmcm相N型SnSe晶體的局域晶格對稱性的提升，顯著增強(qiáng)了其“2D聲子/3D電荷”傳輸特性：(1)提升的晶格對稱性有效降低了Cmcm相SnSe晶體的形變勢，在態(tài)密度有效質(zhì)量(md*)和載流子濃度(nH)顯著增大的同時優(yōu)化了載流子遷移率(μH)，促進(jìn)了“3D電荷”傳輸；(2)Pb元素的引入在帶來應(yīng)力的同時軟化了晶體中的鍵合作用，從而降低了晶格熱導(dǎo)率，增強(qiáng)了“2D聲子”散射。最終在673~923 K的溫度范圍內(nèi)獲得了優(yōu)異的寬溫域熱電性能，該溫域內(nèi)平均ZT可達(dá)~3.0(ZTave~3.0)。此外，本工作搭建了基于N型SnSe晶體的熱電器件并表現(xiàn)出卓越的熱電轉(zhuǎn)換效率，在572 K的溫差下其單臂熱電器件實(shí)現(xiàn)了 ~19.1%的發(fā)電效率。該工作揭示了N型SnSe晶體在溫差發(fā)電領(lǐng)域的巨大潛力，也為優(yōu)化其他低對稱熱電材料體系的熱電性能提供了新的思路。