深圳大學范平課題組與南昆士蘭大學陳志剛課題組合作在n型多晶SnSe熱電材料與CoSb3熱電薄膜方面取得新進展

進展一：通過引入WSe₂/SnSe p-n 結提升n型SnSe多晶熱電性能

近年來，SnSe基熱電材料由于其具有適合的禁帶寬度（~0.9eV)、組成元素豐富、低熱導率等特性受到了很多熱電學者的關注。通過各種優化手段，P型的熱電優值ZT已經從0.5提升至2.5，但是關于高性能n型SnSe（ZT>1.0）的報導較少，其電-聲輸運機制有待進一步的探究。深圳大學范平課題組與南昆士蘭大學陳志剛課題組合作，致力于制備高性能的n型SnSe多晶熱電材料。該工作首次通過在Pb/I雙摻雜的SnSe基熱電材料中引入二維WSe₂?納米顆粒形成WSe₂/SnSe p-n 結。Pb/I雙摻雜調整了SnSe的能帶結構，提升電輸運性能，而WSe₂/SnSe p-n 結調節載流子濃度和作為聲子散射中心大大降低了熱導率至~0.35W/mK，最終n型SnSe多晶的熱電優值在790K達到1.35。該工作提供了一種提升n型多晶SnSe的新策略。相關研究成果以“Two-Dimensional WSe2/SnSe p-n Junctions Secure Ultrahigh Thermoelectric Performance in n-type Pb/I Co-doped Polycrystalline SnSe”為題發表在國際著名期刊Materials Today Physics，深圳大學范平教授、深圳大學鄭壯豪研究員、澳大利亞南昆士蘭大學陳志剛教授為該文通訊作者，深圳大學助理教授陳躍星、澳大利亞南昆士蘭大學史曉磊研究員和深圳大學鄭壯豪研究員為共同第一作者。

圖文導讀：

圖1.（a）該工作優化n型多晶SnSe熱電性能的示意圖;(b)-(c)n型多晶SnSe樣品與熱電優值。

圖2. Pb/I 雙摻雜n 型SnSe的熱電性能；通過Pb/I雙摻雜同時優化了SnSe的電-聲輸運性能，其熱電優值ZT在790K達到0.8。

?圖3. Sn_0.97Pb_0.03Se_0.89I_0.06-1% WSe₂樣品的微觀結構分析顯示其SnSe 相與WSe₂兩相共存。

圖4. 不同WSe₂含量Pb/I雙摻雜SnSe的電輸運性能以及其WSe₂/SnSe p-n 結形成耗盡層示意圖；

圖5. 不同WSe₂含量Pb/I雙摻雜SnSe的熱輸運性能及熱電優值。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2020.100306

進展二：高性能n型CoSb₃基熱電薄膜材料的制備

近年來，隨著可穿戴電子設備、微型芯片和微型傳感器等的飛速發展，迫切需要高功率密度和長使用壽命的微型電源。微型熱電器件可以根據電子組件與周圍環境之間的溫差來發電，對于便攜式和可穿戴電子設備具有巨大的應用潛力。目前熱電材料面對的主要問題為熱電轉換效率低，通常將無量綱熱電優值(ZT)作為評價能量轉換效率的指標，通過調控熱電材料的電熱輸運性能實現高電導和塞貝克系數，同時降低熱導率是提高ZT值的關鍵。CoSb₃材料由于其合適的帶隙，高穩定性和環保特性，在熱電薄膜領域得到了廣泛關注；但CoSb₃材料的高熱導率導致ZT值低，限制其應用。尤其是n型CoSb₃熱電材料發展較為緩慢，其性能普遍低于p型熱電材料，實現高性能n型CoSb₃基熱電薄膜材料仍面臨巨大挑戰。

深圳大學范平課題組與南昆士蘭大學陳志剛課題組合作，采用在In層上生長Ag摻雜CoSb₃薄膜的方法，調控材料的電熱輸運性能。基于第一性原理計算和實驗結果表明，Ag和In傾向于占據CoSb₃晶格間隙位置。0.2% Ag摻雜在CoSb₃能帶結構中引起雜質態，提高費米能級附近的態密度；同時，4.2% In摻雜會進一步調整帶隙，提高其電導率；實現功率因子的顯著增加。間隙位Ag和In原子引入的晶格缺陷和致密晶界散射聲子的協同效應，有效阻止了聲子的傳輸。在623K溫度時，實現n型CoSb₃基熱電薄膜的最高ZT值~0.65，為目前n型CoSb₃基熱電薄膜最高值。相關研究成果以“Rational Band Engineering and Structural Manipulations Inducing High Thermoelectric Performance in n-Type CoSb₃?Thin Films”為題發表在國際著名期刊Nano Energy，深圳大學范平教授、澳大利亞南昆士蘭大學陳志剛教授為該文通訊作者，深圳大學鄭壯豪研究員、澳大利亞南昆士蘭大學史曉磊研究員和深圳大學敖冬威博士為共同第一作者。

圖文導讀

圖1 CoSb₃基熱電薄膜的微觀結構：a XRD圖譜，b 搖擺曲線，c 晶格常數，d Ag和In在晶格不同位置的形成能，e 制備In層上共濺Ag和CoSb₃薄膜示意圖，f 原子力顯微鏡圖像

圖2 CoSb₃基熱電薄膜STEM分析：a 高分辨STEM圖, b Sb空位, c間隙位原子, d Cs校正STEM圖, e CoSb₃晶格原子排列, f 線掃描強度。

圖3 n型CoSb₃基薄膜的熱電性能：a 電導率隨溫度變化曲線，b塞貝克系數隨溫度變化曲線，c 光學帶隙曲線，d載流子濃度和遷移率，e 有效質量和變形勢隨In摻雜濃度變化曲線，f 功率因子隨溫度變化曲線。

圖4 DFT計算的能帶結構： a 未摻雜CoSb₃, b Ag單摻雜CoSb₃, c Ag和In雙摻雜CoSb₃。

圖5 n型CoSb₃基薄膜的熱導率和ZT值：a熱導率，b電子熱導率，c晶格熱導率，d Ag和In摻雜濃度與CoSb₃晶格熱導關系圖，e?ZT值，f n型熱電薄膜ZT值對比。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105683

通訊作者簡介：

范平，深圳大學物理與光電工程學院教授，深圳市先進薄膜與應用重點實驗室主任，深圳大學薄膜物理與應用研究所所長，深圳市真空學會理事長，兼任中國真空學會理事、廣東省物理學會副理事長。長期從事功能材料在能量轉化的基礎和應用研究，曾獲得廣東省自然科學二等獎，獲國家科技部重大專項，廣東省重大科研項目，深圳市學科布局項目等，已在Advanced Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Progress in photovoltaic, Solar energy materials andsolar cells, Applied Physics Letter等高水平雜志上發表SCI學術論文100余篇，已授權國內發明專利共12項，日本、美國、歐盟授權發明專利共7項。

陳志剛教授是澳大利亞南昆士蘭大學能源學科講席教授，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. (3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280余篇學術論文。

鄭壯豪，法國雷恩第一大學材料學博士，2018年度國家優秀自費留學生獎學金獲得者。現任深圳大學物理與光電工程學院副研究員，碩士生導師，深圳市海外高層次人才（孔雀），南山區領航人才，深圳市先進薄膜與應用重點實驗室實驗中心管理主任，深圳市真空學會理事。一直從事新型能源材料和器件方面的研究，著重于高性能熱電材料及器件、薄膜太陽能電池、柔性可穿戴器件等的開發。主持國家自然科學基金項目、廣東省自然科學面上基金項目、廣東省教育廳青年創新項目、深圳市海外高層次人才啟動項目和深圳市科技計劃面上項目多項；獲得2018年度廣東省自然科學二等獎（排名第二）；長期擔任Nano Energy, Journal of Power Source, Journal of Materials Chemistry A等國際知名期刊審稿人；已在Advanced Materials, Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Nanoscale、Applied Physics Letters、ACS Applied Materials Interface等國內外主要專業期刊上發表SCI收錄論文100余篇；獲得美國和日本等國家授權發明專利7項，國內發明專利授權12項。

史曉磊博士就職于澳大利亞南昆士蘭大學未來材料中心，開放學術期刊Micromachines特刊編輯（IF=2.523）。于2008及2011年在北京科技大學分別取得材料學學士及碩士學位，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）開始在澳大利亞昆士蘭大學攻讀博士，2018年度國家優秀自費留學生獎學金獲得者，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。共在Chem. Rev. （1篇），Prog. Mater. Sci. （1篇），Energy Environ. Sci.（2篇），Adv. Mater.（1篇），Adv. Energy Mater.（2篇），ACS Nano（1篇），Energy Storage Mater.（1篇），Adv. Sci.（1篇），Nano Energy（7篇），ACS Energy Lett.（1篇），J. Mater. Chem. A（1篇），Chem. Mater.（2篇）等國際學術期刊上發表論文80余篇，中國發明專利4項，其中以第一及通訊作者身份發表論文近?30篇。這些論文被SCI引用1700余次，H-index達到25。

陳躍星，廣島大學量子與物質科學博士，現任深圳大學物理與光電工程學院助理教授，碩士生導師，深圳市海外高層次人才（孔雀），南山區領航人才，長期從事熱電材料領域相關研究工作。迄今共發表SCI論文40余篇，其中以第一/通訊作者在Advanced Functional Materials（2篇）,Materials Today Physics, ACS Applied Materials & Interfaces, Inorganic Chemistry Frontiers等期刊發表論文19篇，授權國家發明專利5項。

基金支持：

該工作得到了國家自然科學基金 (批準號11604212)，廣東省基礎和應用基礎研究基金(2019A1515110107,?2020A1515010515)，深圳重點實驗室基金(ZDSYS 20170228105421966)，南昆士蘭大學戰略研究基金和南昆士蘭大學啟動資金的支持。

本文由作者投稿。