近日，北航beat365英国官网网站周苗教授與合作者在層狀化合物熱電材料的理論設計方面取得重要進展，相關成果以“Band Degeneracy and Anisotropy Enhances Thermoelectric Performance from Sb2Si2Te6 to Sc2Si2Te6”為題在《Journal of the American Chemical Society》上發表。
熱電能源轉換技術，這一将廢棄熱能直接轉化為電能的革命性手段，正逐步解鎖發電與制冷領域的無限潛能。在評估熱電材料效能的核心标尺—無量綱熱電優值 ZT= S2σκe+κlT 中，ZT 值越高意味着能量轉換效率越大。然而，要達成這一目标，科研人員需在高電導率、高塞貝克系數和低熱導率之間尋找一個微妙且複雜的平衡點，這無疑極具有挑戰性。近年來，層狀結構的化合物憑借其獨特的物理性質，尤其是低熱導率和各向異性電子傳輸特性，成為了熱電領域研究的焦點。在衆多層狀熱電材料中，A2B2Q6家族的層狀二維結構脫穎而出，其中，Sb2Si2Te6作為典型代表，已顯示出卓越的熱電性能，在823 K時實現了高達1.08的ZT值。盡管如此，其功率因子相較于傳統鉛基材料仍有待提升，成為限制其廣泛應用的關鍵因素。
周苗教授及其合作團隊在最新的研究中，通過元素替代策略，将Sb2Si2Te6的p型導帶轉變為Sc2Si2Te6的d型導帶，實現了帶隙工程的重大突破。該研究發現盡管Sb2Si2Te6表現出了更優異的電導率和更低得晶格熱導率，但Sc2Si2Te6在1000 K下的ZT值預期可達3.51，遠超Sb2Si2Te6的2.76。這一突破性的提升，歸功于Sc2Si2Te6的能帶結構特性—由Sb的p軌道轉變為Sc的d軌道，不僅顯著增強了能帶簡并效應，還促進了電子傳輸的各向異性，直接導緻塞貝克系數大幅提升，最終成就了更高的ZT值。
該團隊的研究不僅系統性地比較了Sb2Si2Te6與Sc2Si2Te6的熱電性能差異，更重要的是展示了能帶工程策略，特别是通過元素替換，在熱電材料設計中的決定性影響力。Sc2Si2Te6的非凡表現，不僅預示着其在熱電轉換應用中的廣闊前景，也為探索高性能熱電材料提供了一個全新的視角。展望未來，科研團隊将繼續深化探索，緻力于缺陷工程與摻雜策略的優化，旨在将理論預測的高性能在實際應用中完美兌現，推動熱電技術向着更加高效、環保的未來邁進。
該工作得到了國家自然科學基金，國家重點研發計劃，浙江省自然科學基金，北航國際博士生聯合培養基金，歐洲研究理事會等支持。beat365英国官网网站博士生窦文珍為第一作者，beat365英国官网网站周苗教授、倫敦大學學院David O. Scanlon教授和哈佛大學助理研究員Seán R. Kavanagh為共同通訊作者，北航為第一單位。
論文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c01838
