GeSe-LiBiTe2体系中的热电性能提升

能源的高效利用与社会可持续发展息息相关。热电转换技术可以将热能直接转换为电能，有望通过热能的回收利用提高能源转化效率。热电转化效率取决于热电材料的性能，由ZT值衡量。优异的热电材料需要高的电导率及低的热导率，而材料的电热输运性能则与晶体结构、微观结构、电子结构等息息相关。因此，材料结构调控对于提升热电材料的性能至关重要。近日，南洋理工大学的颜清宇教授团队联合美国西北大学的Mercouri Kanatzidis教授开发了GeSe-LiBiTe₂体系，通过不同尺度的结构特征调控实现了热电性能的提升。

SnSe材料由于其独特的晶体结构及电热输运性质具备非常优异的热电性能。GeSe材料具有与SnSe相同的晶体结构以及类似的能带结构，理论预测其具有与SnSe类似的高热电性能。但是由于GeSe的掺杂效率比较低，难以通过掺杂等方式获得足够的载流子浓度，限制了其高热电性能的获得。

研究团队通过在GeSe基体中固溶LiBiTe₂，将纯相GeSe的正交相晶体结构稳定为菱方相的晶体结构，实现了晶体结构对称性的提升。菱方相晶体结构的电子结构具有多能谷传输的特性，能量相近的L带和Σ带共同决定空穴的传输性质。此外，Ge基菱方相化合物具有本征高Ge空位浓度，使GeSe-LiBiTe₂具有较高的电导率，表现出优异的电输运特性。

图1. GeSe-LiBiTe₂体系的晶体结构演变，电、热传输特性及热电性能。图片来源：J. Am. Chem. Soc.

在微观结构层面，GeSe-LiBiTe₂表现出阳离子位移导致的畴结构以及Ge空位富集的层状缺陷。这些结构特征可以散射从低频到高频的全频段声子，使得GeSe-LiBiTe₂在宽温域具有较低的晶格热导率。

菱方相GeSe-LiBiTe₂因其优化的电子结构及丰富的微观组织而具备优异的热电性能。本研究中所采用的晶体结构调控手段也为其他热电材料的性能调控、新型热电材料的开发提供了思路与策略。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。

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High Thermoelectric Performance in Rhombohedral GeSe-LiBiTe₂

Jinfeng Dong, Yukun Liu, Zhi Li, Hongyao Xie, Yilin Jiang, Honghui Wang, Xian Yi Tan, Ady Suwardi, Xiaoyuan Zhou, Jing-Feng Li, Christopher Wolverton, Vinayak P Dravid, Qingyu Yan*, and Mercouri G. Kanatzidis*

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 17355–17364, DOI: 10.1021/jacs.4c04453

作者简介

董金峰，2020年获得清华大学博士学位，博士指导教师为李敬锋教授。现为南洋理工大学颜清宇教授团队的博士后研究员。

颜清宇，南洋理工大学材料科学与工程学院教授，新加坡电化学学会主席。担任Materials Research Express（IOP期刊）的编委，Exploration (Wiley)的associate editor。

Mercouri G. Kanatzidis, 美国西北大学资深讲席教授以及西北大学-美国能源部阿贡国家实验室能源项目双聘教授、美国科学院院士、美国国家艺术与科学院院士、英国皇家学会会士（院士）、美国化学学会固体化学分会主席。