一、研究背景：
热电材料能够实现热能与电能的直接相互转换，在废热回收、固态制冷和可穿戴电子热管理等领域具有重要应用前景。热电性能通常由无量纲优值 ZT=S2σT/κ衡量，其中功率因子 PF=S2σ直接反映电子输运能力。对于n型Bi2Te3热电薄膜而言，载流子浓度与迁移率之间的强耦合长期制约其功率因子提升：传统均匀掺杂虽可提高载流子浓度，却会引入电离杂质散射，导致迁移率下降，难以同时优化二者。
多层膜异质界面工程为调控电、热输运提供了新思路，但现有多数多层膜界面在沉积时即被预先设定，退火过程中往往被有意抑制互扩散以保持尖锐界面，未能将互扩散作为“ constructive tool”用于结构重构。因此，如何利用可控互扩散主动构建有利的缺陷网络与输运通道，成为提升n型Bi2Te3薄膜热电性能的关键问题。
二、文章简介：
针对上述问题，作者提出了一种基于 Bi2Te3/Ti多层前驱体的扩散驱动界面重构策略。通过后退火诱导Ti与Bi2Te3层间可控互扩散，薄膜自组织形成包含 纳米孔洞、细化晶粒、晶格应变和晶-非晶结 的分级异质网络。该重构结构一方面通过Ti掺入提高载流子浓度，另一方面依靠局部互连的晶态区域维持载流子迁移率，并借助丰富界面实现能量依赖散射，从而同时优化电导率、Seebeck系数和功率因子。相关研究成果发表于化学工程领域的顶级期刊，中科院一区Chemical Engineering Journal 549 (2026) 182399，文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.182399。论文第一作者为史淏维硕士研究生，通讯作者为王国祥特聘研究员。
三、研究内容：
1、BT/Ti多层膜热电性能显著提升
图1展示了原始Bi2Te3（BT）、均匀Ti掺杂Bi2Te3（BT-Ti）和Bi2Te3/Ti多层膜（BT/Ti）的热电性能。连续升温过程中，BT/Ti薄膜电导率大幅提升，明显高于BT和BT-Ti；Seebeck系数呈现非单调变化，表明重构界面诱导了能量依赖载流子散射。最终，BT/Ti薄膜在 600 K 获得峰值功率因子 5424 μW m⁻1 K⁻2，远高于原始BT和均匀掺杂BT-Ti薄膜。
Hall测试进一步显示，BT/Ti薄膜在退火后同时具有三者中最高的载流子浓度和最高的迁移率，打破了传统掺杂中载流子浓度与迁移率相互制约的关系。
图1为BT、BT-Ti和BT/Ti薄膜的电导率、Seebeck系数、功率因子、载流子浓度和迁移率随温度的变化。
2、互扩散驱动界面重构机制与性能对比
图2a–b给出了BT/Ti多层膜从初始层状结构到退火后异质网络的结构演化示意图。退火过程中，Ti与Bi2Te3发生互扩散，形成大量晶界、纳米孔洞、Te空位以及晶-非晶界面；局部互连的晶态区域为载流子提供连续输运通道，而分布化界面则增强能量依赖散射。图2c进一步表明，本工作获得的功率因子超过多数已报道Bi2Te3基薄膜，说明性能提升并非简单掺杂效应，而是源于重构驱动的输运网络重组。
图2为BT/Ti薄膜退火重构机制示意图及本工作功率因子与文献值对比。
3、对照样品微结构揭示重构必要性
图3对比了600 K退火后BT和BT-Ti薄膜的微结构。原始BT为致密多晶结构，平均晶粒约 64 nm，无孔洞或非晶区，Bi、Te分布均匀；BT-Ti则发生明显晶粒粗化，Ti与Bi、Te在局部区域偏析，形成化学不均匀团簇。这种孤立、不连通的Ti富集区会引入额外散射，虽降低晶界散射却无法形成高效输运网络。因此，BT和BT-Ti均难以同时实现高载流子浓度与高迁移率。
图3为600 K退火后BT与BT-Ti薄膜的BF-TEM、HRTEM、SAED和EDS元素分布图。
4、BT/Ti退火膜形成分级异质网络
图4显示，BT/Ti多层膜退火后初始层状结构消失，转变为垂直连续但结构不均一的异质网络。Bi、Te、Ti在宏观上均匀分布，无宏观偏析或二次相；但在纳米尺度存在短程成分调制。HAADF和EDS观察到纳米孔洞，作者将其归因于Bi、Te、Ti互扩散过程中非平衡扩散通量引起的 Kirkendall型效应。同时，晶-非晶界面和晶-晶界面并存：前者提供能量依赖散射，后者在保持结构连续的同时允许载流子输运。
图4为600 K退火BT/Ti薄膜的截面HAADF-STEM、EDX元素分布、纳米孔洞、短程成分调制及晶界HRTEM图像。
5、原子尺度结构与Ti诱导电荷重分布
图5的原子分辨率HAADF-STEM表明，退火后Bi2Te3的五重层结构仍被保留，同时出现部分堆垛层错；原子柱强度分析提示可能存在 Te空位 和范德华间隙。GPA应变分析显示晶格应变呈连续梯度分布，而非局部集中。XPS结果显示，与纯BT相比，BT/Ti中Bi 4f向高结合能移动，Te 3d向低结合能移动，表明 Ti向Bi₂Te₃晶格发生电子转移。这种电子重分布可在不破坏导电通道的前提下调控局域电子环境，有利于稳定载流子输运并提升Seebeck系数。
图5为BT/Ti薄膜的原子分辨率HAADF-STEM、五重层与堆垛层错、GPA应变图、原子柱强度谱及Bi 4f、Te 3d、Ti 2p XPS谱。
四、结论与展望：
本文通过 Bi2Te3/Ti多层膜的扩散驱动界面重构，成功构建了兼具高载流子浓度、高迁移率和稳定热电势的分级异质缺陷网络，在 600 K 实现 5424 μW m⁻1 K⁻2 的高功率因子，显著优于原始Bi2Te3和均匀Ti掺杂Bi2Te3薄膜。该工作证明，可控互扩散并非需要抑制的负面过程，而可成为主动设计热电薄膜微结构、突破传统掺杂限制的有效工具。未来，该界面重构策略有望推广至其他热电薄膜体系及柔性热电器件，并结合原子尺度化学成像与理论计算进一步确认Ti占位、Te空位和能带结构调控机制，为高性能n型Bi2Te3热电薄膜提供新的设计范式。