我國學者在高效熱電材料研究領域取得新進展

圖. “二維聲子/三維電荷”傳輸圖示：(a)導帶底的電子產生離域雜化，增大電荷密度，為電子在層間傳輸提供通道，聲子和空穴受到層的界面阻擋；(b)不受軌道限制的飛機 (聲子)受到高山（層界面）的阻擋，火車（電子）可以穿越隧道，而汽車（空穴）由于軌道不匹配不能穿越隧道。

　　在國家自然科學基金項目（項目編號：51571007，51602143，51772012）等資助下，北京航空航天大學趙立東教授、南方科技大學何佳清教授、黃麗教授和王克東教授、清華大學李敬鋒教授、中國科學院上海應用物理研究所朱方圓副研究員和香港大學陳粵教授研究團隊開展二維層狀結構N型硒化錫的熱電性能研究，研究結果以“3D Charge and 2D Phonon Transports Leading to High out-of-plane ZT in n-type SnSe Crystals”（三維電荷/二維聲子傳輸實現N型硒化錫層外高熱電優值）為題，于2018年5月18日在Science（《科學》）上在線發表，論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/360/6390/778。

　　熱電轉換技術是一種利用熱電材料直接將熱能與電能進行轉換的技術，因其系統體積小、可靠性高、適用溫度范圍廣等特點被廣泛關注，特別是在深空探測和航天探測器領域具有重要應用價值。熱電轉換效率是該技術關鍵性能指標，它主要取決于熱電材料的平均熱電優值（ZT值）。從ZT值的定義來看，高效熱電材料應具有大的溫差電動勢、優異的電導率和低的熱導率。但由于這幾個熱電參數之間存在復雜的制約關系而使得實現高熱電優值成為一個巨大的挑戰。

　　最近，趙立東教授等研究團隊利用硒化錫（SnSe）的層間最低熱傳導特性（二維聲子傳輸），通過電子摻雜促進離域電子雜化，實現了電子在n型SnSe層間的隧穿（三維電荷傳輸）。這一現象可以簡單描述為：本征的SnSe的層狀結構就像一堵墻，可以同時阻礙聲子和載流子(電子和空穴)的傳輸。但通過重電子摻雜后，導帶底的電子離域雜化現象增大了電荷密度，在墻和墻之間為電子量身定制了一條傳輸的隧道，（如圖所示）。這種“二維聲子/三維電荷”傳輸特性使得二維層狀結構的SnSe材料在保持低熱傳導率的同時還擁有優異的電導率，從而大幅提高n型SnSe晶體的ZT值。此研究將為探索新型高效熱電材料提供新思路。