美国能源部
温度梯度中的黑磷合金(左上)、热电功率测量装置(左下)和(中间)显示成分对热电功率(左轴)和电阻率(右轴)的影响的图
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路易斯维尔大学Jasinski 寻求能有效地将温度变化转化为电压的热电材料是一项挑战
为了获得最佳性能，材料必须能传导少量的热量和大量的电
然而，晶体结构和携带电流的电子也携带热量
研究人员已经将黑磷(BP)确定为新应用的候选物质
用砷掺杂BP会产生一种二维(2D)材料，其结构可能会破坏热和导电性之间的联系
在2D层状材料中，电子在层内非常容易移动
然而，层间的弱化学键限制了平面间的热传递
这意味着该结构选择性地减少了热传递，从而产生更好的性能
研究人员发现，用砷取代一些磷原子可以稳定BP中的2D结构
与纯BP相比，这种结构提高了热电功率
废热转化为有用电能的潜力使得掺砷BP比BP更有兴趣成为节能技术的候选材料
对不同砷掺杂水平的温度相关输运测量表明，近20%的砷浓度极大地改善了BP的热电性能，导致与一些最优秀的热电材料相当甚至更好的性能
这项研究研究了掺砷BP的结构变化，发现砷原子相对于周围的磷原子略微向外移动，扭曲了BP晶格
扭曲的结构和不对称的原子键增加了晶体的非谐性，减缓了携带热量的晶格振动(声子),从而进一步降低了热导率
典型地，已经发现这种掺杂降低了电子的迁移率，具有降低热电性能的净效应
这在轻度掺杂的BP样品中不会发生
这里，电子电导率保持足够高，因为电子可以通过跳跃穿过晶体中砷掺杂剂产生的许多缺陷来携带电荷
这种传导机制实现了竞争因素之间的平衡，使材料的行为像声子的不良导体，但像电子的良导体，这是实现最佳热电材料的关键
这项研究表明，通过在合成阶段简单地改变化学成分，可以实现具有调谐特性的高效热电材料
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