多价带激活和全尺度声子散射使SnTe具有优异的热电性能

热电材料能够直接实现电能和热能的互相转化，因此被认为是缓解全球化石燃料短缺和生态可持续性问题的最有潜力的方法之一。目前热电材料性能(ZT)偏低，导致热电技术的转换效率低于其他能源转换技术。由于载流子迁移率与谷简并度之间相对独立的关系，多能带收敛可以在不显著削弱电导率的前提下有效增强塞贝克系数。由于每条能带大致以加和的方式对功率因子产生贡献，多能带能量对齐带来的简并度提升有助于实现较高的功率因子(PF)。因此，操控输运带的能量收敛是优化电输运性能的有效策略。然而当存在较大能量失配时处于较低能量位置的能带难以参与电输运，因此额外电输运能带的激活极具挑战性。而热输运(k)的优化则聚焦于微结构和缺陷的调控。通过相分离或者调幅分解原位生成纳米析出相是一种抑制热导率的有效策略。热电材料充当基体，分散的析出相可以作为有效的声子散射中心，强烈阻碍热流的传递。值得注意的是，大尺寸析出相不仅会造成热短路而且会降低载流子迁移率，最终使得ZT的净增长十分有限。

针对上述关键科学问题，课题组与北京师范大学吴立明教授、陈玲教授深入合作，选取具有双价带电输运特征的SnTe为研究对象，通过MnCdTe₂合金化策略激活了SnTe低能量位置的额外价带，首次在该体系实现三价带协同电输运， 进一步通过合理的固溶度操控实现了析出相尺寸细化，最终实现热输运与电输运协同优化。得益于合理的能带结构优化和精细的微结构调控，电输运性能与热输运性能得到协同优化，在 900 K时，获得了约为 1.97的高 ZT值，这是截止目前为止该体系报道的最高值 。基于最优成分制造了单壁热电器件，其在温差 ΔT为 446 K时呈现出较高的的输出功率密度（800 mWcm^-2）。

图1 复合结构解耦热电参数

图4 热电性能与器件性能

该工作近期以“Rare three-valence-band convergence leading to ultrahigh thermoelectric performance in all-scale hierarchical cubic SnTe”为题，被《Energy & Environmental Science》接收，通讯作者为陈玲教授、武海军教授和吴立明教授。该研究得到国家重点研发计划重点专项、国家自然科学基金、北师大高层次引进人才基金、化学学院、北京师范大学珠海自然高等研究院、北京市重点实验室、西安交通大学等资金的大力资助，特此感谢。

DOI: 10.1039/d3ee02482b​​​​​​​