深圳大學范平研究團隊和南方科技大學劉瑋書研究團隊合作在新型納米結構調控熱電性能方面取得重要進展

熱電材料能夠實現熱能和電能的直接相互轉化，在溫差制冷、溫差發電和傳感器領域具有重要應用價值。納米結構工程能夠實現材料電熱輸運性能的協同調控，是獲得高性能熱電材料的重要手段。在納米復合熱電材料中，納米第二相可以造成額外的聲子散射而降低晶格熱導率。而納米相和基體相形成共格結構的界面結構時也可降低對電子的散射作用，從而顯著優化材料的熱電性能。近日，深圳大學物理與光電工程學院范平教授、李甫研究員和南方科技大學劉瑋書副教授團隊合作，發現過量的Br摻雜將誘導Pnma Bi₂SeS-₂基體相部分轉變為Pnnm Bi₂SeS-₂基體相策略，原位合成具有共格界面的準同成份、異結構（hoC-heS）的納米復合材料，使材料的聲子散射顯著增強的同時，對電子的輸運影響甚微，從而達到優化復合材料熱電性能的目的，使該硫化物材料熱電優值在773K提升到1.12。

不同于以往報道的異成份、同結構（heC-hoS）或異成份、異結構（heC-heS）納米復合材料，該研究利用摻雜誘導相轉變實現同成份、異結構（hoC-heS）的納米復合材料，屬于一類新型的納米復合熱電材料（圖1）。研究人員提出了一種由Pnma Bi₂SeS₂ - Pnnm Bi₂SeS₂組成的準hoC-heS納米復合材料，由于兩相之間的細微結構差異，在基體和第二相之間形成相干界面。研究發現溴摻雜引起了Pnma Bi₂SeS₂到Pnnm Bi₂SeS₂的相轉變（圖2），同時實驗上觀察到的鉍-硒鍵長變化反映了Pnnm Bi₂SeS₂體系中依賴于摻雜的局部結構紊亂，這顯著降低了晶格熱導率而對載流子遷移率的影響較小，從而有效提高了樣品的熱電優值（圖3）。通過摻雜誘導相變設計具有同質組成和異質結構的納米復合材料，實現電熱輸運性能的協同調控以增強熱電性能，為設計高性能納米復合材料提供了新的策略。

相關成果以“Homo-composition and Hetero-structure Nanocomposite Pnma Bi₂SeS₂ - Pnnm Bi₂SeS₂with High Thermoelectric Performance”在Nature旗下高水平期刊《Nature Communications》雜志發表。該論文深圳大學物理與光電工程學院Bushra Jabar博士后、李甫研究員、鄭壯豪副研究員為論文的共同第一作者。深圳大學物理與光電工程學院的李甫研究員、范平教授、南方科技大學劉瑋書副教授為論文的通訊作者。

該工作也是繼本團隊在2021年6月份于Nano Energy 上發表的“High Thermoelectric Properties Achieved in Environmentally Friendly Sulfide Compound Bi₂SeS₂ by Nanoenginnering”工作的后續重要進展，后附文章鏈接。

【圖文導讀】

圖1Bi₂SeS₂的納米組成和晶體結構示意圖。

(a)根據納米復合材料的基體相和納米析出相的晶體結構和化學組成差異的三種三種納米復合材料。目前大多數報道的納米復合材料屬于異成份和同結構（heC-hoS）或異成分和異結構（heC-heS）。(b)Pnma Bi₂SeS₂ - Pnnm Bi₂SeS₂（hoC-heS）納米復合材料內部輸運機制的結構和示意圖。(c-d)Bi₂SeS₂Pnma相在ac晶面的晶體結構。(e-f)Bi₂SeS₂Pnnm相在ab晶面的晶體結構。

圖2相結構與晶格常數變化。

（a）不同摻雜樣品的XRD圖譜。（b）XRD圖譜精修結果。（c）不同摻雜樣品中兩相的變化。（d）Pnma相晶格常數隨摻雜量的變化。

圖3熱輸運性能及ZT值。

（a）不同摻雜樣品的熱導率隨測試溫度的變化。（b）不同摻雜樣品晶格熱導率的變化以及理論計算晶格熱導率（虛線）。（c）不同摻雜樣品的ZT值隨測試溫度的變化。（d）ZT值隨摻雜量的變化。同時給出了不同摻雜量樣品中兩相的成分含量。（e）-（f）本實驗所得樣品的ZT_max值和平均ZT_ave值與文獻數據的比較

【文獻鏈接】

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27564-2

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521005280

【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。

劉瑋書，南方科技大學材料科學與工程系副教授，主要研究領域：電子熱電，離子熱電，柔性熱電器件，分布式微型熱電電源等，目前已經在Science,PNAS, Nat. Commun., Energy Environment Sci, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Acta Mater. 等發表學術論文110余篇，引用>8000, H-index 45，共申請發明專利34件，授權17件。 2019年，獲得首屆騰訊科學探索獎，2020年入選斯坦福大學全球前2%頂尖科學家

李甫，深圳大學物理與光電工程學院研究員，深圳市高層次人才。2013年1月博士畢業于清華大學，2013年3月至2016年3月于清華大學深圳研究生院從事博士后研究工作。2016年4月入職深圳大學從事教學科研工作，主要從事半導體熱電轉換材料與微器件的研究。以項目負責人身份主持兩項國家自然科學基金項目，兩項廣東省自然基金項目，三項深圳市基礎研究項目和兩項校企橫向項目。同時，以科研骨干身份參與了多個科研項目。目前在Nat. Commun.，Energy Environ. Sci.，Nano Energy，Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A，Chem. Commun.，ACS App. Mater. Inter.，Energy等國際高水平學術期刊上累計發表與熱電相關的論文五十余篇，總引用>2000次。

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；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。

基金支持：

該工作得到了國家自然科學基金 (批準號52072248)，廣東省自然科學基金（No. 2021A1515012128, No. 2018A030313574），深圳大學青年教師啟動項目（No.827-000357）等項目資金的支持。