日前，我校陈光院士团队唐国栋教授在热电材料研究领域取得重要进展，该研究成果以“Realizing the high thermoelectric performance of highly preferentially oriented SnSe based nanorods via band alignment”为题发表于国际顶尖期刊Energy & Environmental Science上，该学术期刊是英国皇家化学会的旗舰期刊、世界公认的能源与环境科学领域的顶尖刊物，影响因子32.5。( 文章链接为：https://doi.org/10.1039/D3EE04109C)。我校为论文第一通讯单位，博士生贡亚茹和应盼副教授为共同第一作者，陈光院士、唐国栋教授和南京大学王梅雨老师为共同通讯作者。
热电转换技术是一种利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的“绿色”能源技术，具有无需传动部件、运行安静、尺寸小、无污染、无磨损、可靠性高等诸多突出优点，在温差发电和微系统芯片控温制冷等领域有重大应用价值。能源使用中约有三分之二的能量以废热的形式排放到大气中，利用热电转换技术能够捕获废热发电，应用前景广阔。凭借独特的优势，热电制冷在5G/6G 通信光模块、光纤激光器等关键领域的精确温度控制上，成为唯一的解决方案。SnSe是极具发展潜力的中高温热电材料体系之一，SnSe单晶因无晶界电阻具有高加权迁移率，但电声输运呈现各向异性，在a轴方向的晶格热导率显著低于b、c轴方向。然而，高质量晶体制备困难、成本高、易解理等特点限制了其应用。相比之下，多晶SnSe易于规模化生产，具有高机械强度。尽管如此，多晶SnSe失去了单晶在特定取向上的电声输运优势，需要通过实现沿特定取向生长的低维晶粒定向排列以最大化电/热输运性能。然而，在实际操作中，控制SnSe粉体的晶体学生长取向结合定向烧结非常困难。
针对上述问题，研究团队创新性提出通过设计高度择优取向晶粒协同能带对齐提升多晶SnSe热电性能新方法，选用Ge和S作为掺杂元素，通过水热法成功设计了[1 0 0]取向生长的SnSe纳米棒（图1）。掺杂引起的晶格畸变和晶胞改变诱导了SnSe粉体生长取向从[0 1 1]变为[1 0 0]。通过单向加压的SPS烧结方式，使块体中晶粒继承了前驱体的一维构型，且所有晶粒沿轴向呈现择优取向排列。由于沿[1 0 0]方向具有最低热导率，合成的纳米棒状晶粒高度择优取向的SnSe块体获得了超低晶格热导率（0.15 W m-1 K-1），明显低于绝大多数已报道的多晶SnSe材料（图2）。同时，Ge掺杂促进了价带对齐，显著增强了塞贝克系数，进而提高了材料的功率因子。使得多晶SnSe材料获得了2.4的超高峰值ZT和高达0.9的平均ZT，宽温域热电性能的提升大幅提升了材料热电转换效率，在无毒元素掺杂的多晶SnSe材料中处于领先地位。此外，择优取向的纳米级晶粒使材料表现出了优异的力学性能，有利于材料在热电器件的应用。这一研究为通过择优取向晶粒设计开发高性能多晶热电材料提供了重要参考价值。
图1 具有[1 0 0]取向生长特征的SnSe纳米棒
图2 高度择优取向纳米棒状晶粒与价带对齐协同优化多晶SnSe热电性能
上述工作得到了国家自然科学基金面上项目(52071182)，江苏省青蓝工程中青年学术带头人，中央高校基本科研专项资金(30921011107)等项目的支持。
