东京工业大学
鸣谢:东京理工大学
基于化石燃料的能源资源的持续枯竭正导致我们面临日益严重的能源危机
因此，这促使人们寻找可持续的替代资源
热电能量转换——一种从废热发电的过程——作为下一种潜在的能量收集技术已经获得了动力
由热电材料制成的发电机用于通过“塞贝克效应”获取热能
热电材料中的温差产生电荷载流子流，从而产生电能
为了有效转换，热电材料必须具有高转换效率(ZT)，这需要高塞贝克系数(S)、高电子电导率(σ)和低热导率(κ)
众所周知，硒化锡(SnSe)材料在其单晶形式下表现出创纪录的高ZT
然而，在实际的多晶体中，由于低σ和高κ，性能恶化
在最近发表在《先进科学》上的一项研究中，由东京工业大学(Tokyo Tech)副教授Takayoshi Katase领导的一个日本研究小组通过同时展示高σ和低κ，成功提高了多晶SnSe的ZT
该团队通过将碲(Te)离子引入SnSe的结构中实现了这一显著突破
然而，有一个问题
由于两种离子之间的尺寸不匹配，Te2-离子在SnSe的Se2-位的溶解度在热平衡下极低，这严重限制了离子取代
该团队通过采用两步非平衡生长过程解决了这一挑战，这使他们能够将Te2浓度极限x提高到0
4英寸锡(Se1-xTex)块状晶体
添加相同价态的离子通常不会增加离子半导体中的载流子浓度
然而，在我们的情况下，在SnSe中的Se2-位取代Te2-离子将载流子浓度增加了三个数量级，导致高σ
此外，Te离子的替代大大降低了室温下的κ值，不到三分之一
片濑
在SnSe多晶中实现高σ和低κ有两种主要策略
一种是添加不同价态的离子，例如碱金属离子，以增加载流子浓度
另一个是控制声子散射的杂质分离
因此，在高性能多晶SnSe的合成中涉及许多复杂因素
然而，研究小组发现，等价的Te离子替代增加了σ，同时降低了κ
怎么会？该小组进行了第一性原理计算，以阐明ZT改善的机制
计算表明，SnSe中大的Te离子形成了弱的Sn-Te键
该Sn-Te键容易解离，并且在结构中形成高密度的Sn空位，导致高空穴浓度
此外，弱Sn-Te键降低了声子频率(晶格振动的频率)并增强了声子散射，导致低κ
因此，该研究提供了一种新的方法来添加超出平衡极限的大尺寸离子，这可以指导未来优化热电SnSe多晶的电学和热学性质的研究
“我们相信我们的发现将为高性能、实用的热电材料铺平道路，”博士说
片濑
我们当然希望他的愿景不会离实现太远
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