4月5日， 陜西師范大學材料科學與工程學院鐵電功能材料與器件創(chuàng)新團隊吳笛教授 以第一作者（共同）在國際頂級期刊 Science 上發(fā)表題為 《Pseudo-nanostructure and trapped-hole release inducing high thermoelectric performance in PbTe》（贗納米結構和空穴捕縛-釋放機制提升碲化鉛材料熱電性能） 的科研論文，實現了中溫區(qū)熱電材料和器件性能的新突破。

這是該校 學院教師首次以第一/通訊作者身份在 Science 上發(fā)表研究型文章，實現了標志性科研成果T0的突破 。

該論文是由南方科技大學、陜西師范大學、武漢大學、中國科學院物理研究所和電子科技大學等單位聯合完成。 文章的共同第一作者吳笛教授是學院鐵電功能材料與器件創(chuàng)新團隊的負責人。

近年來，鐵電功能材料與器件創(chuàng)新團隊立足電子元器件國家重大戰(zhàn)略需求，瞄準固態(tài)鐵電儲能材料、太陽能鐵電光伏薄膜和高性能熱電材料元器件的設計開發(fā)、性能優(yōu)化和物理機理闡明等科學問題，擬開展材料組分設計、能帶/缺陷結構調控、表界面工程優(yōu)化等提升材料的固態(tài)儲能性能、輸出光電流密度/電壓和熱電性能，厘清性能提升內在機制，解決關鍵科學問題。通過創(chuàng)新團隊的培育項目，培養(yǎng)創(chuàng)新性研究人才梯隊，為學院和學科建設作出貢獻。

熱電器件能實現電能和熱能之間的直接相互轉換，因此在電子核心器件制冷和余熱發(fā)電領域具有廣泛的應用前景，而提升熱電器件輸出功率和能源轉換效率的關鍵在于解決其組成材料中電聲輸運的強耦合作用。

通過在中溫區(qū)熱電材料PbTe中Pb位進行Ge摻雜，創(chuàng)新性地利用隨溫度Ge從偏心占位到正心占位的結構演變引起對空穴的“捕獲-釋放”效應，實現了對空穴濃度和電學功率因子的全溫區(qū)優(yōu)化；其中，基于第一性原理計算 (Density Function Theory, DFT) 預測和X射線對分布函數 (X-ray Pair Distribution Function，PDF) 以及X射線吸收精細結構譜 (X-ray Absorption Fine Structure，XAFS) 的實驗結果論證了Ge離子的占位演變規(guī)律，而利用電子順磁譜(Electron Paramagnetic Resonance，EPR)、中紅外瞬態(tài)吸收光譜 (Mid-Infrared Transient Absorption Spectrum，MIR-TAS) 、和原位變溫電子能量損失譜 (in-situ Electron Energy Loss Spectroscopy, in-situ EELS) 等手段則有力論證了Ge離子占位演變對載流子（空穴）的捕縛-釋放”效應。

此外，大量的高角度角分辨暗場掃描透射電子顯微 (High-Angle Angular Dark Field-Scanning Transmission Electron Microscopy, HAADF-STEM) 分析以及正電子湮滅 （Positron Annihilation Spectrum, PAS） 結果表明，Ge摻雜還有效調控了PbTe材料中Pb空位的聚集形態(tài)，使其形成一種與基體晶格高度共格的贗納米結構，實現了對聲子 （而非載流子） 的選擇性散射，在有效降低材料的晶格熱導率的同時保證了較高的電輸運性。

以上策略同時獲取了優(yōu)良的電輸運性能和極低的熱導率，有效地實現了電聲輸運的解耦合，從而獲得了p-型熱電材料中迄今為止最高的熱電性能 （ZT=2.8@850K） 。 以該材料為核心設計并制備的熱電器件在554K溫差下實現了高達15.5%的熱-電轉化效率，在佐證材料本征優(yōu)異熱電性能的同時，也為開拓中溫區(qū)熱電發(fā)電器件作為深海和外太空探測等應用場景的自維持免維護電源作出引領性的貢獻。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj8175

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