4月5日， 陜西師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(jié)構(gòu)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(xiàn)了中溫區(qū)熱電材料和器件性能的新突破。這是 學(xué)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(xiàn)了標(biāo)志性科研成果T0的突破， 為學(xué)校80周年校慶獻禮。

該論文是由南方科技大學(xué)、陜西師范大學(xué)、武漢大學(xué)、中國科學(xué)院物理研究所和電子科技大學(xué)等單位聯(lián)合完成。 文章的共同第一作者吳笛教授是學(xué)院鐵電功能材料與器件創(chuàng)新團隊的負責(zé)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(shè)計開發(fā)、性能優(yōu)化和物理機理闡明等科學(xué)問題，擬開展材料組分設(shè)計、能帶/缺陷結(jié)構(gòu)調(diào)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(nèi)在機制，解決關(guān)鍵科學(xué)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(xué)院和學(xué)科建設(shè)作出貢獻。

熱電器件能實現(xiàn)電能和熱能之間的直接相互轉(zhuǎn)換，因此在電子核心器件制冷和余熱發(fā)電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，而提升熱電器件輸出功率和能源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)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(jié)構(gòu)演變引起對空穴的“捕獲-釋放”效應(yīng)，實現(xiàn)了對空穴濃度和電學(xué)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(yù)測和X射線對分布函數(shù)(X-ray Pair Distribution Function，PDF)以及X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜(X-ray Absorption Fine Structure，XAFS)的實驗結(jié)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(yīng)。

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(jié)果表明，Ge摻雜還有效調(diào)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(jié)構(gòu)，實現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)率，有效地實現(xiàn)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(shè)計并制備的熱電器件在554K溫差下實現(xiàn)了高達15.5%的熱-電轉(zhuǎn)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(yīng)用場景的自維持免維護電源作出引領(lǐng)性的貢獻。

論文鏈接：

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

來源：陜西師范大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院。

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