近日，我室研究生周焱（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”Decoupling opposed thermoelectric parameters via multilayer structure in Bi2Te3-based films”的文章，文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2025.01.003

       随着可穿戴电子器件与微型传感器技术的快速发展，开发具有长周期服役特性的自供电系统成为能源材料领域的重要挑战。与传统化学电池相比，热电能量转换技术凭借其固态运作、无运动部件及环境热源利用等优势，为可持续电源提供了创新解决方案。本研究聚焦Bi₂Te₃基薄膜体系，通过构建半导体/金属纳米异质结构，系统探究微观结构调控对热电参数协同优化的作用机制。

       采用磁控溅射技术实现了Bi₂Te₃与高导电金属（Al/Cr）的周期性交替沉积，获得界面可控[Bi₂Te₃(30nm)/M(10nm)]10多层膜（M=Al,Cr）。针对简并半导体中塞贝克系数（S∝μ/n）与电导率（σ=neμ）的固有矛盾，实验发现Bi₂Te₃/Al体系在300-600K温区内呈现σ与S同步提升的异常协同效应（图2a，b）。金属/半导体界面处形成的肖特基势垒通过过滤低能载流子，使有效载流子浓度n从3.5×10¹⁹ cm⁻³优化至1.2×10¹⁹ cm⁻³，同时迁移率μ因应力诱导能带简并度增加而提升。这种载流子输运特性的协同调控使功率因子（PF=S²σ）在600K达到520.8 μW/mK²，较本征Bi₂Te₃（81.8 μW/mK²）实现6倍跃升（图2c）。相比之下，Bi₂Te₃/Cr体系因Cr原子界面扩散形成的(Bi,Cr)₂Te₃合金层虽然通过能带收敛效应在450K以下使PF提升至199.0 μW/mK²，但高温下界面互扩散加剧导致载流子散射增强，最终限制其性能优化（图2c）。本研究通过异质界面工程成功突破传统热电材料参数间的强关联限制，为发展新一代微型化热电器件提供了新的材料设计范式。

图1. (a)Bi2Te3、(b)Bi2Te3/Al 和 (c)Bi2Te3/Cr 薄膜沉积和退火后的 XRD图

图2. Bi2Te3 和 Bi2Te3 多层膜的 a) 导电率、b) 塞贝克系数和 c) PF 随温度变化图

图5. Bi2Te3基薄膜样品（a）（沉积态）（B）（600 K退火后）的塞贝克系数与300 K时载流子浓度的函数关系（Pisarenko图）