Angew. Chem. Int. Ed. VIP：重構二元金屬硫化物能帶結構來合成具有高性能，環保和高成本效益的熱電材料Bi13S18I2

【引言】

最近，熱電材料獨特的優勢引起了廣泛的關注，但是由于內部綜合復雜性和運輸特性之間復雜的相互作用而未被深入研究，現在通過插入第三種試劑來拆分和重構標準二元化合物引起了電子器件和輻射探測器等各個領域的探索，?該方法也可以重構二元熱電化合物的晶體結構，實現電子和聲子結構的改變，從而獲得環保、廉價、高性能的熱電材料。

【成果簡介】

近日，愛荷華州立大學化學與生物工程系的吳越教授（通訊作者）和南京理工大學化學工程學院的徐骉教授（第一作者）的團隊在 Angew. Chem. Int. Ed發表了題為"Manipulating Band Structure through Reconstruction of Binary Metal Sulfide for High-Performance Thermoelectrics in Solution-Synthesized Nanostructured Bi₁₃S₁₈I₂"的文章，通過插入第三種試劑來重建典型的二元化合物可以顯著地改變它們的電子和聲子結構。他們通過添加無序Bi和弱鍵合I來重建Bi₂S₃，獲得的納米結構的Bi₁₃S₁₈I₂代表第一個zT達到1.0的無毒，成本低且可溶液加工的n型材料。在這項工作中，該課題組選擇n型二元金屬硫化物Bi₂S₃，并插入第三個與環境相容且富含元素的碘元素，由此產生的Bi₁₃S₁₈I₂晶體對稱性發生了變化，以達到修飾電子和聲子結構的目的，?因此，由于它的高性能這種材料有望成為傳統Te基熱電材料的替代品。由于該項研究的原創性、新穎性和重要性，此文被評為VIP（very important paper）。

【圖文導讀】

圖1：晶體結構圖

a-b: Bi₁₃S₁₈I₂相對于Bi₂S₃結構，虛線圓表示來自Bi₂S₃的Bi₁₃S₁₈I₂中的遺傳片段；

c:本體Bi₁₃S₁₈I₂的粉末X射線衍射圖。

圖2 ：Bi₁₃S₁₈I₂的微觀結構圖

a-b: Bi₁₃S₁₈I₂納米棒低倍率和高分辨率TEM圖；

c:傅立葉變換圖案；

d:誘導晶體學各向異性的放電等離子體燒結過程的圖；

e:燒結的納米結構材料的XRD圖；

f:燒結的納米Bi₁₃S₁₈I₂的聚焦離子束切割薄部分的TEM圖；

g:燒結的納米Bi₁₃S₁₈I₂的HAADF-STEM圖。

圖3：溫度與相關性能參數的關系

a:電導率的溫度依賴性；

b:霍爾載流子濃度與溫度關系；

c:塞貝克系數；

d:功率因數；

e:總熱導率；

f:三個Bi₁₃S₁₈I₂樣品的zT值。

圖4：Bi₁₃S₁₈I₂的的相關理論研究

a:電子能帶結構圖；

b:態密度圖；

c:勢阱圖；

d:電子局域化函數圖；

e:熱導值與文獻中其他材料對比

f:zT值與文獻中其他材料對比

【小結】

該團隊通過合成類似的Bi₁₉S₂₇Br₃納米棒及其納米結構材料來展示化學可調性， 基于適當的溶液相方法可以合成典型二元金屬硫化物（硒化物）的其他開放骨架化合物，這種方法可以改變電子能帶結構和聲子輸運，從而改善其熱電性能。 這將豐富多元金屬硫化物（硒化物）的大家庭，使其成為環保的熱電材料。

文獻鏈接：Manipulating? Band? Structure? through? Reconstruction? of? Binary Metal? Sulfide? towards? High-Performance,? Eco-Friendly? and? Cost-Efficient Thermoelectrics in Solution-Synthesized Nanostructured Bi₁₃S₁₈I₂（Angew. Chem. Int. Ed.2018, DOI: 10.1002/anie.201713223）

團隊介紹：

吳越教授，2001年本科畢業于中國科學技術大學化學系，2006年博士畢業于哈佛大學化學系Charles Lieber課題組，2006-2009年于加州大學伯克利分校化學系Paul Alivisatos課題組開展博士后研究，2009年-2014年任職于普渡大學化學工程系，2014年至今任職于美國愛荷華州立大學化學工程系。主要研究方向為納米熱電材料、納米復合導熱材料、二維MXene材料和納米線生物材料等。

徐骉教授，2009年本科畢業于清華大學化學系，2014年博士畢業于清華大學化學系王訓教授課題組，2014年-2017年于美國愛荷華州立大學吳越教授課題組開展博士后研究，2017年12月至今，聘為南京理工大學化工學院教授、博導。主要研究方向為納米熱電材料，相關工作可詳見：

Biao Xu, Tianli Feng, Matthias T. Agne, Lin Zhou, Xiulin Ruan, G. Jeffery Snyder, Yue Wu*, Highly Porous Thermoelectric Nanocomposite with Low Thermal Conductivity and High Figure of Merit from Large-Scale Solution-Synthesized Bi₂Te_2.5Se_0.5 Hollow Nanostructures,

Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3546-3551. VIP，

Biao Xu, Matthias T. Agne, Tianli Feng, Thomas C. Chasapis, Xiulin Ruan, Yilong Zhou, Haimei Zheng, Je-Hyeong Bahk*, Mercouri G. Kanatzidis, G. Jeffrey Snyder*, Yue Wu*, Nanocomposites from Solution-Synthesized PbTe-BiSbTe Nano-Heterostructure with Unity Figure of Merit at Low-Medium Temperatures (500-600 K),

Adv. Mater. 2017, 29, 160540, Inside Front Cover。

本課題組與清華大學、中國科學技術大學和美國愛荷華州立大學等建立了緊密合作關系，具有良好的深造機會，請有意報考本課題組碩士、博士研究生和進行博士后研究者咨詢xubiao@njust.edu.cn!

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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