近日，我室王国祥特聘研究员（第一作者）、沈祥研究员（通讯作者）与德国莱布尼茨表面改性研究所Andriy Lotnyk教授（通讯作者）合作在国际顶级期刊Advanced Science上发表了题为“Boosting thermoelectric performance of Bi₂Te₃ material by microstructure engineering”(2023,2308056. IF=15.1)的论文。文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202308056

       随着化石能源消耗量的大幅增长，寻找可再生能源和开发可持续发电技术尤为迫切。热电转化技术可以实现热能和电能之间的直接转换，且转化过程绿色环保、零噪音、无碳排放，在实现“双碳”目标上展现出巨大的潜力。高效热电转换技术首先需要高性能的热电材料，其性能直接取决于热电材料的电导率和塞贝克系数，这两个参数随着载流子增加呈此消彼长的本征矛盾关系，即：当热电材料的电导率上升时，其塞贝克系数通常会降低，反之亦然。这种现象极大地限制了材料热电性能的提升。

       针对以上问题，该团队提出通过微观结构调控来提升薄膜的热电性能，通过将表现出高电子浓度的材料（例如金属）与半导体相结合，引入与不对称费米能级相对应的载流子分布，从而增强功率因数。同时，高界面密度也可以有效降低热导率，从而提高整体热电性能。

       本研究使用磁控溅射法制备了Bi₂Te₃/Sb和Bi₂Te₃/W多周期热电薄膜，并表征了其微观结构和热电性能。对其结晶和微观结构进行表征，结果表明退火后Bi₂Te₃/Sb多周期结构会消失，形成Bi-Te-Sb相、富Sb的 Bi-Te相和空洞。而Bi₂Te₃/W多层薄膜的结构在退火后保持不变。W层具有更高的电导率，并且能够细化晶粒，限制Bi₂Te₃的生长，使晶粒呈现出明显的C轴择优取向，而且Bi₂Te₃中的双层缺陷和与W层界面处的较小空洞也促进了热电性能的提升。对其热电性能进行表征，结果表明这两种样品都具有非常高的电导率，最高时能够达到5.6×10⁵ Sm^-1。此外，随着温度的升高，样品电导率和塞贝克系数同时增加，显示出了解耦热电材料本征矛盾的潜力。这使得Bi₂Te₃/W的功率因数在600K时达到1785 μWm^-1K^-2，而Bi₂Te₃/Sb的功率因数在600K时达到1566μWm^-1K^-2。该研究成果不仅为多周期高性能热电材料的设计和性能优化提供了新思路，而且这一调控材料微观结构的新方法有望为不同类型材料设计提供重要参考价值。

图1. 沉积态和退火后(a) Bi₂Te₃/Sb和(b) Bi₂Te₃/W样品的XRD图像。沉积态和退火后(c) Bi₂Te₃/Sb和(d) Bi₂Te₃/W样品的拉曼光谱图像。

图2. Bi₂Te₃/Sb和Bi₂Te₃/W样品的 (a)电导率、(b) Seebeck系数和(c)功率因数随温度变化情况。

图3. 600K退火后的(a)Bi₂Te₃/Sb和(b)Bi₂Te₃/W样品的HRTEM图像；图中明亮的部分为空洞，标“W”的部分为W层。(c)Bi₂Te₃/W中Bi₂Te₃晶粒的原子分辨率的HAADF-STEM图像；插图为(c)中红色直线所提取的轮廓，其中T表示Te层，B表示Bi层，I表示Bi/Te层。(d)针对(c)中所选区域放大后的HAADF图像；红色箭头表示双层缺陷，(c)和(d)中的vdW表示范德华间隙。