南昆士蘭大學陳志剛/昆士蘭大學鄒進Chemical Reviews：先進熱電材料與器件設計的研究進展

通訊作者：陳志剛，鄒進

第一作者：史曉磊

第一單位：澳大利亞南昆士蘭大學未來材料中心

核心內容：

1. 綜述從熱電轉換基本原理出發，總結了近年來高性能熱電材料與器件設計的最新研究進展，包括不斷完善的熱電性能優化機制、先進的熱電材料與器件制造工藝，能帶和結構工程的廣泛應用、多維熱電材料的應用前景及探索，以及多元化的熱電器件設計思路。

2. 綜述總結了熱電研究領域里的最新研究熱點，包括數據科學輔助分析，低維熱電材料與器件設計，自旋熱電效應，高熵熱電合金，離子熱電，機械性能強化機制，先進熱電性能分析測試手段，基于無機以及無機/有機復合熱電材料的柔性器件設計，器件服役穩定性及評價方法，以及熱電發電及制冷的最新應用。

研究背景

近年來，不可再生能源的過度消耗和因此造成的日益嚴重的環境問題已經引起世界上廣泛的關注。為了緩解未來可能出現的能源危機和環境污染，探索生態友好型可持續新能源與新技術至關重要。熱電材料及器件能夠實現熱能和電能之間的直接轉換，因此在回收廢熱節約能源以及中小規模制冷方面具有無可比擬的優越性。熱電材料與器件設計是熱電研究領域的重要課題。合理的設計能夠明顯地提高熱電材料與器件的服役性能與服役穩定性，因此先進的熱電材料與器件設計一直備受關注。

綜述簡介

南昆士蘭大學陳志剛教授與昆士蘭大學鄒進教授課題組總結了近年來高性能熱電材料與器件設計的最新研究進展，相關成果發表于知名化學綜述期刊Chemical Reviews (DOI: 10.1021/acs.chemrev.0c00026)。這篇綜述旨在通過建立熱電機理，材料制備，結構特征，以及熱電性能的內在聯系來全面總結實現高性能熱電材料和器件的最新設計思路，包括能帶和結構工程，多維熱電材料設計，以及新型熱電器件設計。每種設計思路都從其基本原理的簡要介紹開始闡述，并配以精心挑選的示例加以說明。最后，該綜述提出了目前針對于熱電材料與器件設計所存在的爭議，挑戰和前景。

要點1：熱電材料的發展趨勢

在這里總結了幾種典型的熱電材料體系的性能，成本和性價比，以及這些熱電材料近10年的發展趨勢，包括籠型化合物，碲化鍺，半赫斯勒合金，碲化鉍，碲化錫，碲化鉛，硒化錫，硒化銅，鉍銅硒氧化合物，填充方鈷礦化合物，以及Zintl相化合物。

圖1?幾種典型熱電材料的性能，成本及性價比，以及其近10年的發展趨勢。

要點2：熱電轉換的基本原理

熱電轉化的基本原理包括塞貝克效應，珀爾帖效應，以及湯姆森效應。其中塞貝克效應用于解釋熱電發電，珀爾帖效應用于解釋熱電制冷，而當實際的熱電器件中存在較大的溫度梯度時，湯姆森效應則一般需要加以考慮。

圖2?塞貝克效應，珀爾帖效應，以及湯姆森效應示意圖。

要點3：熱電性能的優化機制以及熱電發電與制冷效率預測

無量綱的熱電優值ZT一般用來評估熱電材料的性能潛力。本節闡述了熱電優值的定義，以及為了獲得最優化的熱電優值所需要進行的熱電參數耦合。這些參數包括塞貝克系數S，電導率σ，以及熱導率κ，而ZT=S²σT/κ。其中，S²σ又稱為功率因子，T為絕對溫度，而熱導率κ一般由電子熱導率κ_e和晶格熱導率κ_l組成。用于調控塞貝克系數，電導率，以及電子熱導率的關鍵參數是載流子濃度n或p。對于不同的熱電材料體系，不同的溫度區間，以及不同的晶格熱導率κ_l，取得高熱電優值ZT所需要的載流子濃度的最優值區間一般具有明顯的區別。即使對于同一種熱電材料體系，不同溫度下的載流子濃度的最優值區間也有所不同。單/多能帶模型以及第一性原理計算一般可以用于預測某種熱電材料在某些條件下的熱電優值潛力以及最優載流子濃度區間，而通過第一性原理計算得到的材料的電子結構和態密度一般可以較為有效地揭示該材料的熱電潛力。通過計算得知，對于大多數高性能半導體熱電材料來說，塞貝克系數調控至203?μV?K^-1與230?μVK^-1之間可以被視為一個“黃金”范圍，以實現熱電優值的最優化。本節最后討論了熱電優值和熱電發電與制冷效率之間的關系。

圖3?為了獲得高熱電功率因子和高熱電優值所需要的熱電參數耦合，通過能帶模型和第一性原理計算得出的一些典型熱電材料在某些特定條件下的熱電潛力，典型的熱電材料（硒化鉛）的能帶結構和態密度，通過計算得出的塞貝克系數的黃金范圍以獲得最優的熱電性能，以及熱電優值與熱電發電及制冷效率之間的關系。

要點4：聲子散射機制以及結構工程的基本原理

由于載流子濃度對于調控晶格熱導率κ_l的影響相對有限，因此需要結合多種結構調控手段以進一步降低熱電材料的晶格熱導率。本節討論了熱電材料晶體結構，聲子散射與晶格熱導率之間的關系，包括材料非諧性鍵合，Grüneisen參數，晶格缺陷的種類，以及不同晶格缺陷對應散射的聲子波長（頻帶）。這些晶格缺陷能夠造成不同程度的晶格畸變，主要包括點缺陷（或零維缺陷，包括空位及代位原子，主要散射高頻聲子），線缺陷（或一維缺陷，例如位錯，主要散射種頻聲子），面缺陷（或二維缺陷，包括晶界，相界，以及堆垛層錯，主要散射低頻聲子），以及體缺陷（或三維缺陷，包括納米夾雜/析出相及納米孔洞，同時具備多種散射機制）。

圖4?非諧性鍵合示意圖，單晶硒化錫沿不同軸向的Grüneisen參數計算，熱電材料中常見晶格缺陷的種類，不同點缺陷對硒化錫晶格熱導率的降低，熱電塊體硅中三聲子散射與聲子-位錯散射與同位素散射的效果對比，具有多相結構的熱電材料中熱流的分析，聲子波長（頻帶）與散射源種類及尺寸的關系，具有納米孔結構的多晶硒化錫中由納米孔洞造成的熱輻射和聲子散射對熱導率降低的作用對比，以及通過計算得到的碲化鍺材料中不同的散射源對晶格熱導率的降低。

要點5：熱電材料先進合成工藝總結

本節介紹了熱電材料的種類以及其先進的制備工藝，包括高性能單晶/類單晶熱電塊體生長工藝（布里奇曼法，布里奇曼-斯托克伯格法，直接氣相傳輸法，溫度梯度生長法，以及垂直氣相沉積法），用于合成量子點/線及熱電納米/微米晶的傳統濕法化學工藝（溶液法或熱注射法，常輔以攪拌，加熱，以及氧化/還原氣流環境），用于超臨界狀態下（高溫/高蒸汽壓）合成熱電納米/微米晶的水熱及溶劑熱法（輔以微波法），熔融/固相反應法（電弧熔融法，區熔法，熔融紡絲法，燃燒法），機械合金化（高能球磨法），以及用于合成熱電納米/微米晶及二維熱電薄膜的蒸鍍/沉積法（熱蒸鍍法，反應蒸鍍法，閃蒸法，化學氣相沉積法，脈沖激光沉積法，磁控濺射法，以及反應濺射法等）。

圖5?布里奇曼單晶生長工藝，傳統濕法化學工藝（熱注射法），水熱/溶劑熱合成工藝，熔融/高溫合金化，機械合金化，以及氣相沉積法。

要點6：多晶熱電塊體及多元熱電器件的制造工藝總結

本節介紹了多晶熱電塊體材料的制備工藝（包括冷壓/熱壓法及等離子體放電燒結法），傳統熱電器件的制造工藝（熱電塊體材料切割，焊接，緩沖層設計，電路連接，填充物，以及多層器件設計），微納熱電器件制造工藝（聚焦離子束（FIB）技術，薄膜襯底一體化），以及柔性熱電器件制造工藝（柔性基底，無機/有機復合，純無機柔性熱電材料與器件）。

圖6?等離子體放電燒結工藝制備多晶熱電塊體用于傳統熱電器件組裝，聚焦離子束（FIB）切割技術用于微納熱電器件制備，以及滴涂法制備無機/有機復合柔性熱電薄膜。

要點7：熱電材料與器件設計的新思路

熱電設計的新概念涉及三個方面，即結構設計，多維設計和器件設計，它們共同構成了層級式的熱電設計理念：1. 基于晶體缺陷的結構設計源自于熱電物理與化學的核心概念，其目的是制備高性能的熱電材料，包括零維點缺陷及通過元素摻雜所實現的能帶工程和高頻聲子散射，一維位錯和中頻聲子散射，二維界面及通過界面調控所實現的能量過濾效應、調制摻雜及低頻聲子散射，以及三維納米夾雜物/析出相和納米孔隙所造成的復合調制效果；2. 基于材料制備的多維設計以成熟的結構設計為基礎，其目的是制備多元化的高性能熱電器件，包括準零維熱電材料（量子點及納米晶），一維熱電材料（量子線，納米線和納米/微米帶），二維熱電材料（單/多層納米薄片，納米/微米單晶板，納米/微米薄膜，自旋熱電薄膜和超晶格），以及三維熱電材料（塊體單晶/類單晶和多晶）；3. 基于實際服役的器件設計以成熟的多維設計為基礎，其目的是實現熱電器件的高功率輸出以及高制冷效率，以更高效地應用于人類生活的各個領域，包括傳統熱電模塊設計，微納熱電器件設計，以及柔性熱電器件設計。

圖7?層級式的熱電設計理念：結構設計，多維設計和器件設計。

要點8：熱電大數據分析

本節介紹了大數據分析技術在熱電材料與器件研究領域的應用，包括加快新型熱電材料的研發，機器學習技術，應用于熱電數據科學分析過程中常用的描述符（關鍵詞）和基本流程，統計模型，數據挖掘技術，以及分類規則和決策樹在熱電材料設計過程中的應用。

圖8?數據科學與熱電設計和熱電優值之間的關系，大數據分析應用于熱電材料設計的基本步驟，機器學習應用于熱電材料設計的常用描述符和基本流程，統計模型應用于RE-M-Ge熱電合金的典型案例，從已發表文章中進行數據挖掘，以及應用于半赫斯勒熱電合金設計的分類規則/決策樹。

要點9：熱電材料中的點缺陷及形成原理

本節介紹了熱電材料中的點缺陷的類型以及形成機理。常見的點缺陷包括空位和異質原子（包括代位異質原子和間隙位異質原子）。點缺陷的形成需要足夠的能量，而該能量的量化值可以通過計算得到。因此，點缺陷形成能的計算是進行能帶工程（包括摻雜和空位工程）的前提。

圖9?熱電材料中的不同類型的點缺陷的示意圖，以及硒化錫，鎂銻Zintl相合金和硅化鎂熱電材料中不同類型的點缺陷的形成能對比。

要點10：能帶工程

某些點缺陷的形成能夠明顯地改變熱電材料的能帶結構和態密度。本節介紹了熱電材料中能帶工程的常用策略，包括帶隙擴寬或減縮，費米能級遷移，能帶簡并，由溫度、壓力或組分變化形成的能帶收斂，共振摻雜，以及態密度的變化分析。

圖10?銦/鍶摻雜對碲化錫能帶結構的影響，由溫度變化所造成的硒摻雜碲化鉛價帶收斂，由錫組分變化所造成的錫摻雜硅化鎂導帶收斂，晶體結構參數變化造成的具有擬立方結構的四方黃銅礦化合物的能帶簡并，以及鉛摻雜對鉍銅氧硫化合物的態密度的影響。

要點11：熱電材料中的空位與空位工程

作為大多數熱電材料中典型的原生點缺陷，通過空位的調制可以明顯地提高材料的熱電性能。本節介紹了空位工程的基本概念，產生空位的多種機制，空位的種類，先進的空位表征手段，以及空位對于材料實測熱電性能的綜合影響。

圖11?利用掃描隧道顯微鏡來表征硒化錫熱電塊體表面的錫空位和硒空位，對應的電子定域函數圖像，錫空位調控對硒化錫多晶塊體材料熱電性能的影響，利用球差矯正高分辨透射電鏡表征硅化錸單晶中典型的硅空位、鈦酸鑭晶體中的雙空位（鑭和氧）、鑭摻雜鈦酸鍶晶體中的鑭/鍶空位、化學氣相沉積法制備的鉍摻雜碲化錫中的線型錫空位，熔融法制備的多晶碲化鍺中的線型鍺空位及其造成的晶格畸變，溶劑熱法制備的鎘摻雜多晶硒化錫中的聚集型空位簇，二維單層硫化鉬中的硫空位以及其產生的額外電子。

要點12：熱電材料中的異質原子與元素摻雜/固溶合金化

基于異質原子的元素摻雜與固溶合金化是提高材料熱電性能最常用的手段之一。本節介紹了元素摻雜及固溶合金化的基本原理，異質原子的種類（代位型和間隙型），先進的異質原子表征手段，以及元素摻雜和固溶合金化對于材料實測熱電性能的綜合影響。

圖12?利用球差矯正高分辨透射電鏡表征Ba₈Cu₁₄Ge₆P₂₆籠型化合物，利用基于球差矯正透射電鏡的超高分辨能譜來辨別Ce_0.91Fe_3.40Co_0.59Sb_12.14填充方鈷礦中每種元素的原子位置，組分變化對CoSb₃基填充方鈷礦熱電性能的影響，利用掃描隧道顯微鏡表征硫化錫-硒化錫固溶體中的硫/硒分布情況，利用球差矯正高分辨透射電鏡表征碲化銻-碲化鍺固溶體的局域型晶格畸變，改變碲化銻-碲化鍺固溶體中的碲化鍺組分對固溶體熱電性能的影響，利用球差矯正高分辨透射電鏡表征鈉摻雜硒化錫晶體中鈉的間隙位摻雜，錳摻雜碲化錫中錳的間隙位摻雜以及其造成的晶格應力，以及錳的間隙位摻雜對碲化錫熱電性能的影響。

要點13：熱電材料中的刃型位錯

熱電材料中存在的位錯主要分為三類，分別為刃型位錯，螺型位錯，以及混合型位錯。實際上，熱電材料中的大部分位錯均為混合位錯，然而由于表征技術的局限性，刃型位錯更易于通過表征而被發現。刃型位錯的核心和位錯線均能造成較為明顯的晶格畸變和局部應力，因此能夠有效地散射中頻聲子。本節主要介紹了刃型位錯的基本概念，近年來對于刃型位錯和聲子之間相互作用的基本原理探索，典型的刃型位錯的表征手段，小角度晶界附近所發現的線性排列的刃型位錯，高密集刃型位錯群造成的晶格畸變和內應力，以及密集刃型位錯對材料實測熱電性能的影響。

圖13?刃型位錯基本概念，刃型位錯與聲子之間的作用原理，利用高分辨透射電鏡表征硒化鉛中的刃型位錯，碲化鉍多晶塊體中小角度晶界附近呈線性排列的刃型位錯，碲化鉛中由鈉/銪/錫三元素摻雜所造成的高密集刃型位錯群及其引起的晶格畸變和局部內應力，以及密集刃型位錯造成的內應力與能帶收斂對三摻雜碲化鉛多晶塊體熱電性能的影響。

要點14：熱電材料中的螺型位錯

與刃型位錯相比，螺型位錯在熱電材料中的作用有明顯的不同。螺型位錯所引起的晶格畸變比刃型位錯引起的晶格畸變要小得多，因此對聲子的散射作用有限。然而，螺型位錯能夠引起材料能帶結構的特殊變化，因此一定密度的螺型位錯可能產生獨特的熱電特性。計算結果預測具有高密集螺型位錯的鉍銻合金的熱電優值可以達到7，實驗結果也發現具有螺型位錯的錸摻雜n型二硒化鎢具有高達700?μV K^-1的絕對塞貝克系數。此外，螺型位錯驅動的晶體生長對于熱電材料合成制備而言也具有十分重要的意義，例如納米/微米片，納米線和二維沉積薄膜等。

圖14?螺型位錯基本概念，硅單晶中螺型位錯的表征及其引起的晶格畸變和局部應力，基于螺型位錯生長的理想砷化鎵一維材料及其能帶結構，利用原子力顯微鏡表征螺型位錯驅動生長的二硒化錫，利用高分辨透射電鏡表征磷化銦納米線中的螺位錯，基于多元醇溶液法合成的硒化鉍微米片及其表面的螺型位錯，具有螺型位錯的錸摻雜n型二硒化鎢的熱電性能，以及計算預測具有高密集螺型位錯的鉍銻合金的熱電優值。

要點15：熱電材料中的晶界與晶粒細化

晶界是二維界面的一種，也是多晶熱電材料中最常見的二維晶體缺陷。晶界兩邊的材料一般屬于同相材料，而晶界的作用主要體現在散射低頻聲子。同時，由于晶界經常是位錯的終結點，因此也能有效地散射中頻聲子。本節介紹了晶界的基本概念，晶界的類型（小角度晶界，大角度晶界，反相界），用于表征晶界的技術手段，晶粒細化的常用方法及其對材料熱電性能的影響。需要注意的是晶界對載流子傳輸也同時具有一定的阻礙作用（散射載流子降低遷移率），因此應用晶粒細化于多晶熱電材料的前提是晶界對熱導率的降低需大于對電導率的降低。

圖15?晶界的基本概念，晶界附近的原子錯排，利用電子背散射衍射來表征碲摻雜鎂銻鉍基Zintl相的晶粒大小和取向，利用高分辨透射電鏡表征多晶硒化錫的小角度晶界及其附近線性排列的刃型位錯，鉍銅硒氧多晶塊體中[100]取向的晶粒和[110]取向的晶粒之間的大角度晶界，通過球磨法實現銀鉛銻碲熱電合金的晶粒細化，通過高壓法實現多晶硒化錫的晶粒細化，以及適當的晶粒細化對鉍銻碲（BST）基多晶塊體熱電性能的影響。

要點16：多相熱電材料中的相界

相界是不同相之間的界面。與晶界相比，相界面除了具有散射中低頻聲子的效果，還起到界面勢壘的作用以過濾低能量載流子來提高塞貝克系數。此外，相界面的粗糙程度（兩相晶格匹配程度）也是需要重點關注的問題之一。本節介紹了相界面的基本概念，相界粗糙度對熱電性能的影響，相界面的形成及控制技術，晶粒鍍層技術，晶粒間析出相，連貫相界面，以及相界面控制對材料實測熱電性能的影響。

圖16?利用化學鍍法制備鉍銻碲晶粒表面的銅鍍層，鉛過量摻雜導致的碲化鍺塊體中富鍺相與富鉛相之間的特殊相界面，10%的銻與硒/硫共摻碲化鍺合金化后的固溶體熱電性能的提升，熔融法形成的銀過量摻雜的硒化錫與Ag₈SnSe₆析出相之間的平滑相界面，硫化鉛-碲化鉛固溶體中超過固溶度而形成的相界面以及其附近的刃型位錯，在硫化鉛-碲化鉛固溶體的基礎上繼續固溶不同組分的鉀后熱電性能的變化，溶劑熱法形成的銦過量摻雜的碲化錫與碲化銦析出相之間的連貫相界面，鐿填充的CoSb₃方鈷礦與20%的銻合金化后產生的高粗糙度相界面以及其附近埋藏的大量刃型位錯，以及20%的銻合金化對鐿填充的CoSb₃方鈷礦熱電性能的提升。

要點17：熱電材料中的堆垛層錯和孿晶界面

堆垛層錯是熱電材料中常見的二維晶格缺陷，可以描述為原子層的錯排，是一種典型的低能量界面。 每個堆垛層錯都結合著部分位錯，通常在面心立方（FCC）和密排六方（HCP）堆垛結構中較為常見。熱電材料中的雜質、局部氧化物、高位錯密度等均有可能造成堆垛層錯。層錯有兩種基本類型，即抽出型層錯和插入型層錯，此外還有一種特殊的層錯即反映型層錯（孿晶界）。本節介紹了堆垛層錯的種類，層錯可能引起的低能載流子過濾效應及中低頻聲子散射機制，層錯及孿晶界的表征，以及層錯及孿晶界對材料實測熱電性能的影響。

圖17?堆垛層錯的種類，堆垛層錯對低能載流子的潛在過濾效果及對中低頻聲子的散射，利用球差校正高分辨透射電鏡表征硒摻雜銀銻碲塊體熱電材料中的層錯，利用高分辨透射電鏡表征碲化鍺塊體熱電材料中由于銻/銦共摻雜所造成的條帶狀層錯，銻/銦共摻雜對碲化鍺熱電性能的提升，硅化鎂熱電塊體中堆垛層錯與孿晶界的共存現象，利用電子背散射衍射和高分辨透射電鏡表征鉍銻碲基熱電塊體中的微米級孿晶，以及利用“液態操縱”法實現的大面積孿晶對鉍銻碲基塊體熱電性能的影響。

要點18：熱電材料中的納米夾雜/析出相

納米夾雜相是指熱電材料中具有納米尺度的均勻分布的第二相，其中納米析出相是一種常見的納米夾雜相，一般是由元素摻雜超過了摻雜極限或固溶體中超過了固溶度所導致。此外，在材料合成或燒結過程中由于額外的化學反應或溫度及壓力的影響，也會產生各種形態的納米析出相。本節介紹了熱電材料中的納米夾雜相和析出相的生成原理，對材料熱電性能的作用機制（低能載流子過濾，調制摻雜，及多頻段聲子散射），理論計算預測納米夾雜相的尺寸、密集程度與熱電優值的關系，納米夾雜相的表征，以及其對材料實測熱電性能的綜合影響。

圖18?納米夾雜相對多頻段聲子的散射，納米夾雜相所引起的低能量載流子過濾效應，理論計算預測碲化鉛納米夾雜相的尺寸、密集程度與硒化鉛主相的熱電優值的關系，鋇鎵鍺基籠型化合物中由于壓力造成的立方體型納米析出相，鉍銅硒氧化合物中由于鈣/鉛雙摻雜導致的富鉍納米析出相以及其對熱電性能的影響，電弧熔融法制備的半赫斯勒合金中發現的全赫斯勒納米析出相，通過高能球磨共混制備的具有碳納米管的硒化銅多晶塊體以及碳納米管作為夾雜相對其熱電性能的影響。

要點19：熱電材料中的納米孔隙

熱在納米孔隙中主要以熱輻射的方式進行擴散，同時納米孔隙的邊界能夠強烈地散射幾乎全部頻段的聲子，因此納米孔隙對熱電材料的熱導率具有極強的降低作用。一般來說，在材料中引入一定數量和尺寸的納米孔隙是一種較為常見的提高材料熱電性能的方法，然而由于納米孔隙的引入同時也會較為明顯地降低材料的電性能，因此熱電材料的納米孔隙設計（尺寸，數量，分布等）需要格外小心。本小節介紹了熱電材料中納米孔隙的基本概念，理論計算得到的納米孔隙對熱電材料熱導率的降低效果及對熱電優值的提升效果，納米孔隙的表征和形成原理，以及其對材料實測熱電性能的影響。

圖19?熱電材料中納米孔隙的基本概念，理論計算引入納米孔隙后對硒摻雜碲化鉍塊體材料晶格熱導率的降低效果，理論計算在硒化錫多晶材料中引入不同量的孔徑為50納米的孔隙與材料的晶格熱導率及熱電優值的關系，利用掃描電子顯微鏡來表征使用“爆炸法”得到的硒化銅多晶塊體中的納米孔隙，孔隙設計過程中各種熱電材料的形成焓（ΔH）與能壘（E_b）的關系，引入納米孔隙對硒化銅多晶塊體熱電性能的影響，利用溶液法在二維硒化錫薄片中引入納米孔隙，使用中空的鉍碲硒納米棒為原材料進行燒結得到的具有微納米孔隙的多晶塊體以及其熱電性能。

要點20：納米熱電材料中的量子限域效應及量子點在熱電領域的應用

量子限域效應是納米尺度的熱電材料所具有的一種特殊效應，表現在材料的帶隙隨材料尺寸的減小而逐漸增大，而材料維度的降低同時也會引起材料的態密度發生變化。本小節介紹了納米熱電材料中的量子限域效應，材料維度與態密度之間的關系，熱電量子點的基本概念、合成原理和方法、常用表征手段，量子點尺寸與實測帶隙值之間的關系，熱電塊體材料中的量子點夾雜/析出相，基于量子點制造的柔性熱電器件及其實測性能，以及理論計算的量子點熱電器件設計。

圖20?量子點的基本概念及合成方法，量子限域效應，材料維度與態密度之間的關系，硒化鉛量子點的表征和實測帶隙值，硒化錫量子點的表征以及其尺寸和實測帶隙值之間的關系，硒化錫多晶塊體中的硒化鉛量子點，鉍碲硒量子點及以其為原材料制備的柔性熱電器件，以及實測的柔性熱電器件的塞貝克系數。

要點21：熱電納米晶

納米晶的尺寸比量子點要大，因此其具有的量子限域效應相對較弱。然而，相比于量子點，納米晶具有合成工藝成熟，產量大，應用范圍廣泛等特點。本小節介紹了納米晶的種類，合成工藝，表征手段，以及在熱電領域中的多方面應用。

圖21?溶劑熱法合成的鉍摻雜碲化鉛立方型納米晶，濕法化學工藝合成的銅鋅鍺硒三角型納米晶，以這些納米晶為原材料進行燒結制備的多晶塊體材料的熱電性能，氧化鈦納米球以及其作為納米夾雜相存在于CoSb₃基填充型方鈷礦多晶塊體中，碲化錫納米塊以及其作為納米夾雜相對α-鎂銀銻基多晶塊體熱電性能的提升，具有碲化鉛納米晶薄層的玻璃絲及其熱電性能和器件性能。

要點22：熱電量子線

量子線是一種典型的一維量子材料。本文介紹了量子線的量子限域效應，能帶結構及帶隙值與量子線方向的關系，量子線的表征手段，量子線的帶隙和電性能與線截面尺寸大小的關系，以及理論預測的量子線的熱電優值。

圖22?硅基量子線的表征，量子線方向與帶隙和電子結構之間的關系，基于膠體法可大量合成的銫鉛溴基量子線，基于軟模板法定向合成的寬度小于1納米的硫化鋅量子線，氣相傳輸沉積于碳納米管中的具有多種鏈條結構的硒化錫量子線，具有不同線截面尺寸的硅量子線的電硫-電壓曲線，鎵砷磷基量子線的線截面尺寸與帶隙之間的關系，以及理論計算預測碲化鉍基量子線的熱電優值。

要點23：熱電納米線

納米線是一種常見的一維納米材料。本小節介紹了納米線的合成原理，結構組成，熱電性能，以及基于納米線的傳統及柔性熱電器件。

圖23?氣液固（VLS）方法制備納米線的原理，具有核殼結構的銦鎵磷基納米線的結構組成，硅鍺基納米線的實測熱電性能，基于納米線的傳統熱電器件設計，以及以銅硒基納米線為填充物制備的無機-有機復合柔性熱電器件的設計思路和實測輸出性能。

要點24：熱電納米/微米帶

納米/微米帶的合成方法及應用領域均比較廣泛。本小節介紹了納米/微米帶的合成原理，表征手段，實測熱電性能，以及其在多晶熱電塊體和柔性熱電器件中的應用。

圖24?氣液固（VLS）方法制備的碲化鉍納米帶及其不同溫度下的電流-電壓曲線，溶劑熱法制備的銅摻雜硒化錫微米帶及其不同施加應力下的電流-電壓曲線，硼納米帶的實測塞貝克系數，氧化銦/氧化鋅復合型微米帶及其實測功率因子，模板法生長的硒化錫微米帶及以其為原材料進行燒結得到的多晶塊體的熱電性能，水熱法合成的硫化錫微米帶及以其為原材料制備的無機-有機復合柔性薄膜的熱電性能，以及銻摻雜氧化鋅單根微米帶組成的微型熱電器件。

要點25：單層/多層納米熱電材料

單層/多層納米熱電材料具有獨特的熱電特性。本小節介紹了單層/多層納米片的合成原理，電子結構，理論計算預測的熱電優值，表征手段，以及其在熱電領域的應用。

圖25?基于單層二硫化鉬的理想熱電器件模型，塊體與單層鉍碲溴基熱電材料的電子結構對比，理論計算預測600?K下單層鉍碲溴基熱電材料的熱電優值，利用原子力顯微鏡表征通過氣相沉積法制備的單層二硒化鎢，利用鋰離子插層減薄得到的硒化錫基納米薄片，利用溶液法直接合成的鐵鎳硫基花朵狀納米薄片，利用二硫化鈦納米片作為載體承載碳60，二硫化鈦/碳60復合柔性薄膜的熱電性能，以及基于該薄膜制備的簡易柔性熱電器件及其輸出性能。

要點26：熱電納米/微米板

板條狀納米/微米晶是常見的二維熱電材料。與單層/多層納米片相比，板條晶具有晶型相對完整，合成工藝成熟，應用范圍廣等特點，且由板條晶為原材料制備的熱電塊體及二維熱電薄膜具有獨特的各向異性。本小節介紹了板條狀納米/微米晶的合成原理，表征手段，實測熱電性能，以及其在多晶熱電塊體和柔性熱電器件中的應用。

圖26?微波輔助溶劑熱法制備的碲化鉍六角納米片，溶劑熱法合成的硒化銅六角納米片及以其為原材料進行燒結制備的多晶塊體的熱電性能，利用化學氣相沉積法制備的碲化錫微米板，利用臥式爐生長的砷化鎘微米板及其實測載流子濃度和遷移率，利用熔融法和球磨法制備的二硒化錫六角納米片，將硒化鉍六納米片與有機材料（PVDF）復合制備柔性熱電薄膜以及其實測柔韌性和功率因子。

要點27：固態及柔性熱電薄膜

熱電薄膜對于新型微納熱電器件和柔性熱電器件的設計與制備而言至關重要。本節列舉了二維熱電單/多晶薄膜的研究進展，包括先進的制備工藝，表征手段，薄膜結構和成分設計新思路，以及提升薄膜熱電性能的多種策略。

圖27?利用外加電場下的熱沉積法制備鉍碲硒基熱電薄膜，外加電場對于薄膜晶粒的定向生長作用以及其對薄膜熱電性能的影響，退火對碲化鉍基熱電薄膜的結構組織、成分和熱電性能的影響，新型鐵釩鎢鋁基熱電薄膜的組分表征，態密度分析，以及其具有潛力的熱電性能。

要點28：自旋熱電效應及自旋熱電薄膜

自旋熱電是熱電研究領域的一個熱門的研究方向，其建立在自旋塞貝克效應（SSE）的基礎之上。 與“傳統”的塞貝克效應不同， SSE主要涉及在磁性材料中產生具有熱梯度的純自旋電流或自旋相關現象。本小節介紹了自旋塞貝克效應的基本原理，自旋熱電薄膜的制備、表征及自旋熱電性能總結，以及基于自旋熱電薄膜的柔性器件設計及其應用。

圖28?自旋塞貝克效應與傳統塞貝克效應的原理對比，自旋熱電薄膜的制備工藝流程，自旋熱電薄膜的表征，磁場與自旋塞貝克系數的關系，自旋熱電性能的總結，以及典型的柔性自旋熱電薄膜器件的制備、表征和應用。

要點29：熱電超晶格復合薄膜

超晶格復合薄膜曾因為其超高的熱電性能而備受關注。本小節介紹了超晶格的基本概念，獨特的電子結構，超晶格對聲子的散射機制，常用的表征手段，超晶格的形成條件，典型超晶格復合薄膜的熱電優值，以及基于超晶格復合薄膜的熱電制冷器件設計。

圖29?二硫化鎢/二硒化鎢超晶格的基本組成及電子結構，超晶格對聲子的散射機制，利用高分辨透射電鏡表征鈦酸鍶/錳酸鑭鍶超晶格結構，基于碲化鉍制備超晶格的生長條件，幾種典型的超晶格復合薄膜的熱電優值，基于碲化鉍/碲化銻超晶格復合薄膜的微型熱電器件及其制冷效果。

要點30：高性能熱電單晶塊體

本小節列舉了幾種具有獨特熱電性質的高性能單晶塊體，包括鎂硅錫基單晶的各向異性，n型硒化錫晶體中發現的3D電傳輸和2D聲子傳輸機制，以及在硒化錫和硫化錫晶體中發現的隨溫度變化導致的帶收斂及連續相變現象。

圖30以鎂硅錫基單晶為例說明熱電單晶塊體的各向異性體現在多個方面，包括X射線衍射，電荷密度分布，能帶結構以及熱電性能，n型硒化錫晶體中發現的3D電傳輸和2D聲子傳輸機制以及隨溫度變化導致的導帶收斂，在硫化錫晶體中發現的隨溫度變化導致的價帶收斂及硒摻雜導致的聲子譜和晶體結構變化。

要點31：多晶熱電材料的各向異性

某些材料具有各向異性的晶體結構，因此其燒結得到的多晶塊體具有類似于單晶塊體的各向異性特性。一般來說，由于沿著某一方向的熱電性能相對較高，因此對于擁有各向異性的多晶材料而言，如何使材料更多地沿著高熱電性能的取向制備成為了關注點。本小節介紹了多晶塊體中的各向異性現象，并列舉了幾種提高多晶熱電塊體各向異性的方法和思路。

圖31?鉍碲硒基多晶塊體的結構和熱電性能的各向異性，通過熱鍛工藝提升鋇摻雜鉍銅硒氧多晶塊體的各向異性，以及通過事先合成大尺寸板條狀二維硒化錫單晶片并以此為原材料進行快速燒結來提升硒化錫多晶塊體的各向異性。

要點32：相變與熱電材料的相變設計

相變是大多數熱電材料均會經歷的一個相轉變過程，一般由溫度和壓力的變化造成。熱電材料的相變設計涉及到多個方面。本小節介紹了相變對材料電子結構和熱電性能的影響，固溶組分變化時的相轉變，通過固溶改變相圖結構/固溶度，相變點溫度調控以及其對實測熱電性能的影響。

圖32?銀銅硫基塊體與納米熱電材料不同相之間的電子結構對比，銀摻雜對硒化銅相變點附近的比熱容的影響，鉍碲-鉍硒-銻碲-銻硒固溶體在不同組分下的相結構對比， 5%碲化鍺對碲化錫-碲化錳二元相圖的影響，多相固溶對碲化錫塊體材料熱電性能的綜合影響，通過不同程度的錳摻雜改變碲化鍺的相變溫度，錳摻雜對碲化鍺不同相的電子結構的影響，以及其對碲化鍺熱電性能的影響。

要點33：高熵熱電合金

近年來，高熵材料因其獨特的結構和功能特性而備受關注。高熵材料是一種典型的固溶體合金，它由五個以上原子百分比相等或近似相等的元素組成，并且每個元素成分都大于5 %。本小節介紹了熱電高熵合金的基本概念，其特殊的熱電特性的起源，以及近年來報道的高熵熱電合金的熱電性能。

圖33?高熵合金的基本概念，利用3D電子能譜圖來表征銅硫硒碲高熵合金中的元素分布，熵工程的基本定義，溶解度參數δ與最大位形熵ΔS_max之間的關系（n_c為組分數），不同高熵合金的熱電優值與位形熵之間的關系、不同高熵合金的塞貝克系數與高熵合金相結構與位形熵之間的關系，以及不同高熵合金的晶格熱導與位形熵之間的關系。

要點34：具有非公度結構的熱電材料

一般情況下，長周期結構的周期或點陣常數是亞結構的整數倍，稱為有公度的結構，否則就是無公度的結構。具有非公度結構的熱電材料，其結構會在沿著特定方向上失去平移對稱性，一般與材料中的超結構具有緊密的關系。本小節介紹了幾種常見的具有非公度結構的熱電材料體系，例如Nowotny煙囪梯結構（NCL）化合物（描述為M_xX_y，其中M是過渡金屬，X是13-15族元素，x和y表示正整數），三元鉈基非公度半導體，以及一些氧化鈷基的具有復雜非公度結構的熱電材料。

圖34?高錳硅的不同晶體結構，鐵鍺基材料的熱電優值與化學位和價電子數之間的關系，正常結構和具有非公度結構的鉈銦硒的晶體結構和態密度之間的對比，以及氧化鈷基熱電材料中存在的復雜的非公度結構以及其塞貝克系數對比。

要點35：塊體熱電材料的機械性能和熱穩定性

熱電材料的機械性能和熱穩定性是決定熱電器件能否長時間高效發揮熱電性能的關鍵因素。本小節介紹了熱電材料機械性能和熱穩定性的評估手段及關鍵參數，以及提升材料機械性能的方法總結，如鋼筋混凝土式強化、晶粒細化、孿晶強化、空位強化，以及典型的材料斷裂方式。

圖35?納米壓痕用于測量塊體及薄膜熱電材料的微區機械性能（彈性模量和硬度），熱電材料的宏觀機械性能測試手段（抗壓強度，抗彎強度，斷裂韌性），典型熱電材料的熱膨脹率，鋼筋混凝土強化機制（在多晶鉍銻碲中混入碳納米管作為強化支撐），晶粒細化強化機制，孿晶強化機制，多晶硒化錫塊體中的錫空位彌散強化機制，多晶硒化錫塊體機械性能的各向異性（抗壓強度），以及多晶硒化錫塊體沿晶界及層間范德華力破壞性斷裂機制。

要點36：材料熱電性能評價新方法

隨著科學技術的不斷進步，評價材料熱電性能的新方法層出不窮，準確度也日益提升。本小節總結了近年來較為常用的先進材料熱電性能評價方法，包括四探針法測電導率（消除接觸電阻影響），霍爾法測載流子濃度（范德堡技術），溫差法測塞貝克系數，激光閃光法測熱擴散系數（包括近期研發的自然光聚焦技術），V型微探針法測薄膜等二維材料的電導率、塞貝克系數和熱導率，3ω法測熱導率，環境可控（激光輻照，施加應力等）的單根微米級熱電材料的電導率測量，以及利用微機電系統直接測量微納米熱電材料的電導率、塞貝克系數和熱導率。

圖36?四探針法測電導率，溫差法測塞貝克系數，激光閃光法測熱擴散系數，V型微探針法測二維材料的電導率、塞貝克系數和熱導率，環境可控（激光輻照，施加應力等）的單根微米級熱電材料的電導率測量，以及利用微機電系統直接測量微納米熱電材料的電導率、塞貝克系數和熱導率。

要點37：傳統熱電器件及設計思路

設計高性能多維度熱電材料的最終目的是提高熱電器件的服役性能。本小節介紹了傳統熱電器件的種類，基本設計思路，參數耦合，電極材料選擇方案，熱電材料與電極間的過渡層設計，填充物的種類和選擇原則，以及熱電器件服役性能評估手段和穩定性分析方法（抗外力和高溫熱沖擊等）。

圖37?傳統熱電器件的種類和基本設計思路，包括拓撲結構優化，電極材料選擇，焊接工藝優化，熱電材料選擇與適配性分析，材料與電極之間的過渡層設計，熱電參數耦合，熱損失降低方案，輸出功率優化途徑等。

要點38：傳統熱電器件組裝流程，考察重點和性能評估

本小節以例舉的方法介紹了傳統熱電器件的組裝流程，計算材料學應用于熱電器件設計的研究進展，以新型高性能熱電材料為基礎的熱電器件分析，界面電阻優化，器件性能和服役穩定性評估，以及單腳熱電器件的性能評估方法。

圖38?以填充方鈷礦納米結構熱電材料為基礎的傳統熱電器件組裝流程，以p型硒化銅和n型填充型方鈷礦為基礎的熱電器件的拓樸結構、電極材料及過渡層設計，界面電阻分析，熱電轉換效率和服役穩定性評估，以及單腳熱電器件的性能評價方法。

要點39：微型熱電器件

相比于傳統熱電器件，微型熱電器件的輸出功率相對較小。然而，微型熱電器件具有尺寸小，設計靈活，應用廣泛等特點，因此是熱電研究領域的一個熱門方向。本小節例舉了微型熱電器件的設計思路，組裝流程，以及其應用于熱電發電和制冷方面的典型案例。

圖39?基于碲化鉍和碲化銻塊體的微型熱電器件設計及組裝流程，內嵌于戶外玻璃的微型熱電溫差發電裝置以及其輸出功率，基于超晶格復合薄膜的微型熱電器件設計及組裝流程，以及嵌于計算機微處理器表面的微型熱電制冷裝置及其制冷效果。

要點40：柔性熱電器件

柔性熱電器件因為其獨特的柔性設計和可穿戴特性，是近年來熱電研究領域最熱門的研究方向之一。本小節主要討論和例舉基于無機熱電材料和無機-有機復合熱電材料的柔性熱電器件的設計思路、輸出功率評價以及柔性測試原理，包括3D打印的用柔性金屬串聯的簡單柔性器件，Y型結構的內嵌式柔性器件（由有機柔性基體提供器件的柔性），鏈式柔性熱電器件（器件的柔性來自于鏈式設計），純無機柔性熱電材料及器件，無機-有機復合型柔性熱電器件（有機部分同時提供柔性和熱電性能），以及纖維基柔性熱電器件。

圖40由銅帶串聯的3D打印硒化錫基柔性器件，Y型嵌入式柔性器件，鏈式柔性器件，無機-有機復合柔性器件，以及纖維基柔性器件的設計和性能評估。

要點41：氧化對熱電材料與器件的影響

氧化會對大多數熱電材料及器件的熱電性能和機械穩定性造成嚴重的影響。本小節討論了氧化行為的誘因，延緩氧化的新型隔離技術，去氧化制備技術對材料熱電性能的影響，以及氧化對某些特殊熱電材料所起到的正面作用。

圖41?銅鋅銻硫基塊體熱電材料氧化前后以及使用水基樹脂保護后的熱電功率因子對比，多晶硒化錫中通過氫氣還原技術去除氧化以實現超高熱電優值，利用玻璃保護層保護CoSb₃基填充型方鈷礦熱電塊體表面后實現的長時間高溫抗氧化效果，以及氧化行為在鈷酸鈣基柔性熱電薄膜的制備過程中所起到的正面作用。

要點42：環境因素對熱電材料及器件服役性能的影響

除了氧化行為，熱電材料及器件在服役的過程中還可能面對各種各樣的外界環境，包括壓力，磁場，自然光/激光輻照及射線輻照等。本節討論了以上環境因素對熱電材料及器件服役性能的潛在影響。

圖42?高壓下碲化鉛晶體結構和電荷密度分布的轉變，高壓對碲化鉛的態密度、最優載流子區間以及熱電優值峰值的影響，硒化鉛在一定的壓力下實測得到的高室溫熱電優值，填充型方鈷礦材料與納米磁性材料的復合以及其在外磁場下獨特的熱電性能，自然光聚焦溫差熱電發電器件的設計組成，伽馬射線對砷硒碲基材料熱電性能的影響，以及激光輻照對硼化鎂薄膜電性能的激發。

要點43：熱電發電的歷史及應用領域的拓展

熱電發電是熱電器件兩大基本功能之一，其發電機理基于塞貝克效應。本節討論了熱電發電在近年來各個領域的廣泛應用，包括航空航天器供電，工廠廢熱回收發電，車輛尾氣廢熱回收發電，以及利用人體體溫與環境溫差為可穿戴設備供電等。

圖43?放射性同位素熱電供電裝置用于阿波羅登月計劃以及其基本熱電器件單元，用于汽車內部的環形熱電轉換發電裝置及熱電發電功率和引擎速度和扭力之間的關系，人體不同部位的體溫所產生的熱量以及各種可穿戴設備所需要的能量范圍，以及應用于人體不同部位的可穿戴熱電發電裝置典型案例。

要點44：熱電制冷的應用領域及拓展

基于珀爾帖效應的熱電制冷是熱電器件的另一個基本功能，目前已經得到了較為廣泛的應用，具有廣闊的市場前景。本節討論了熱電制冷在民用冷藏家電（可攜帶冰箱，保溫盒，紅酒柜，咖啡機等），可穿戴型熱電空調，醫用醫療器械，分析測試設備，以及軍用探測器等方面的新應用。

圖44?熱電制冷的基本元器件，以及其廣泛的應用領域，包括可攜帶保溫冰箱，可穿戴式個人熱電空調，紅酒保溫柜和咖啡機，專為DNA研究設計的現代臺式聚合酶鏈反應（PCR）系統，專為便攜式和現場護理設備設計的微型全分析系統（μTAS），以及用于新生兒保溫箱的熱電保溫毯。

小結與展望

時至今日，熱電材料與器件設計取得了令人矚目的進展。然而不可忽略的是，目前的熱電材料與器件設計還存在著嚴峻的挑戰，包括熱電材料成分設計時名義成分和實際成分的匹配性，空位工程的不可控性，摻雜成功率與摻雜極限的主觀性忽略，引發位錯和堆垛層錯/孿晶機制的不確定性，對納米化概念（nanostructuring）的過度炒作，納米夾雜相及納米空洞的生成、尺寸和分布的非可控性，量子熱電材料的大規模合成難度，單晶塊體的高熱電性能起源及其高額成本和脆性，多晶塊體熱電材料各向異性的主觀忽略，避開相變溫度附近的性能測量，熱電器件能量損失的控制，多元化熱電器件的服役性能評價手段，以及柔性器件性能和柔性的平衡等。至于熱電材料與器件設計的展望，其包括以下幾個方面：

1. 設計理念和基本原理的進一步完善；

2. 新型材料結構的多維化設計；

3. 能帶工程的進一步應用；

4. 將近年來快速發展的新型熱電材料（硒化錫，硒化銅，碲化鍺，碲化錫等）應用于熱電器件進行匹配；

5. 高產量高質量的多維熱電微納米材料和合成制備技術的進一步完善；

6. 柔性熱電器件的進一步研發和實際應用；以及

7.?熱電材料與器件新概念的進一步探索，例如離子熱電及自旋熱電。

圖45?熱電材料與器件設計流程總圖。

此外，該綜述還以表格的方式總結了近10年來高性能塊體材料的熱電性能（表1），二維材料的熱電性能（包括無機固態薄膜，無機超晶格復合薄膜，無機柔性薄膜，以及無機-有機復合柔性薄膜，表2），塊體材料的機械性能和熱穩定性（表3），傳統熱電器件的輸出功率和熱電轉換效率（表4），微型及柔性熱電器件的發電功率（表5），以及微型熱電器件的制冷效果（表6）。表格的詳細信息請參見綜述原文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.0c00026。

總之，這篇綜述總結了近年來先進的熱電材料與器件設計方案，并試圖建立結構，材料和器件之間的內在聯系，以期在多種應用領域中實現熱電材料與器件的高能量轉換效率。

作者簡介

陳志剛教授（通訊作者）是澳大利亞南昆士蘭大學能源學科講席教授（Professor of Energy Materials），澳大利亞南昆士蘭大學功能材料學科帶頭人。長期從事功能材料在能量轉化的基礎和應用研究。陳志剛教授師從成會明院士和逯高清院士。2008年博士畢業后即成功申請到“澳大利亞研究理事會博士后研究員”職位，前往澳大利亞昆士蘭大學機械與礦業學院工作，先后擔任研究員，高級研究員，榮譽副教授，后轉入澳大利亞南昆士蘭大學擔任功能材料學科帶頭人，先后主持共計七百萬澳元的科研項目，其中包括6項澳大利亞研究委員會、1項澳大利亞研究委員會工業轉化研究中心，1項澳大利亞科學院、2項州政府、10項工業項目和10項校級的科研項目。在南昆士蘭大學和昆士蘭大學工作期間，共指導17名博士生和3名碩士研究生，其中已畢業博士生5名和碩士生2名。在Nat. Nanotech. （1篇）、 Nat. Commun. （3篇）、 Prog. Mater. Sci. （1篇）、 Adv. Mater. （10篇）、 J. Am. Chem. Soc. （4篇）、Angew. Chem. Int. Edit.,（2篇）, Nano Lett. （3篇）、Energy Environ. Sci. （2篇）、ACS Nano（13篇）、Adv. Energy Mater. （9篇）、Adv. Funct. Mater. （9篇）、Nano Energy（11篇）和 Energy Storage Mater. （1篇）等國際學術期刊上發表250余篇學術論文。這些論文共被Scopus引用13600余次，H-index達到58。

鄒進教授（共同通訊作者）現任澳大利亞昆士蘭大學的納米科學講席教授（Chair in Nanoscience），曾任澳大利亞電子顯微學會秘書長，及澳大利亞昆士蘭華人工程師與科學家協會副會長。鄒進教授目前的研究方向包括：半導體納米結構（量子點，納米線，納米帶，超簿納米片）的形成機理及其物理性能的研究；先進功能納米材料的形成及其高端應用，尤其在能源，環保和醫療中的應用；固體材料的界面研究。鄒進教授在 ISI 9（Web of Science） 刊物上已發表學術論文 650 多篇，其多數論文發表在國際知名刊物上并被引用 18,000次。鄒進教授目前承擔多項澳大利亞研究理事會的研究課題。

史曉磊研究員（第一作者）就職于澳大利亞南昆士蘭大學未來材料中心，于2008年在北京科技大學材料科學與工程系取得學士學位，于 2011 年在北京科技大學新材料技術研究院取得碩士學位，畢業后就職于清華大學摩擦學國家重點實驗室深圳微納研究室進行科研工作。2015年獲得澳大利亞國際留學生全額獎學金（RTP）開始于昆士蘭大學鄒進教授團隊及南昆士蘭大學陳志剛教授團隊攻讀博士學位，并于2019年獲得博士學位，其研究方向集中于熱電材料，材料表面與界面，化學以及納米科學領域。在硒化錫基熱電材料中，通過精心設計的空位和缺陷調控，實現了多晶硒化錫塊體熱電性能的新突破，并通過微觀結構的電鏡表征發現了溶劑熱合成過程中新的摻雜機制。攻讀博士期間曾獲得中國留學基金委頒布的2018年度國家優秀自費留學生獎學金，并前往中國科學院上海硅酸鹽研究所陳立東教授課題組進行學術訪問及樣品測試。共在Chemical Reviews （1篇），Progress in Materials Science （1篇），Advanced Materials（1篇），Advanced Energy Materials（2篇），ACS Nano（1篇），Energy Storage Materials（1篇），Advanced Science（1篇），Nano Energy（3篇），ACS Energy Letters（1篇），Journal of Materials Chemistry A（1篇），Chemistry of Materials（2篇）等國際學術期刊上發表論文70余篇，中國發明專利4項，其中以第一作者身份發表論文 20余篇。這些論文被SCI引用1200余次，H-index達到21。

本文由南昆士蘭大學陳志剛教授課題組供稿。