近日，我室研究生陈颖琦（第一作者）和王国祥研究员（通讯作者）在期刊Progress in Natural Science: Materials International上发表了题为“Dual-phase competitive behavior in N-type Sn-Bi-Te thermoelectric films achieving high thermoelectric performance”的文章，文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.07.008

       热电转换技术作为一种能够直接转换热能和电能的新型技术，其具有绿色环保、零噪音、无碳排、等优点。P型和N型热电材料是热电器件的必要组成，两者性能优异且匹配才能够最大程度地提高热电器件的性能。目前P型热电材料发展较快，具有较高的功率因子，且从机理到应用都建立了较完善的体系。然而，N型材料的发展较为弱后，且性能较优的N型材料主要集中于中高温区。目前室温区性能最好的N型材料是Bi₂Te₃基材料，其在室温附近有较大的Seebeck系数，但是其晶体结构中的范德华间隙使其电导率较低，功率因子在较宽的温度范围内仍低于100 μW/mK²。

       针对以上问题，该团队提出了一种富含Sn元素的Bi₂Te₃基薄膜。研究发现大量引入的Sn元素容易取代Bi₂Te₃中的Bi元素，而Bi元素在高温下重新取代Sn元素。SnTe和Bi₂Te₃的双相竞争行为调控了薄膜的结晶行为：从单相-双相-单相（Bi₂Te₃薄膜）变成单相-双相（Sn-Bi₂Te₃薄膜）。产生的第二相纳米颗粒SnTe具有高电导率，能够调控载流子运动，提高薄膜的电导率。同时，双相共存产生的界面效应也助力塞贝克系数的升高。薄膜的功率因子由85 μW/mK²提高到147 μW/mK²。该研究从结晶行为的角度揭示了相变过程中双相竞争行为助力热电性能改善的新物理机制。

图1 Sn-Bi₂Te₃薄膜的（a）电导率和（b）功率因子；（c）Sn_26.6(Bi₂Te₃)_73.4薄膜573K退火5分钟后的微观结构图（其中，A代表SnTe晶粒，B代表Bi₂Te₃晶粒）。