南京理工大学研究生，南京理工大学研究生院
近年来，面对传统能源日益供需失衡、全球气候日益变暖的严峻局势，世界各国纷纷加大对新能源和能源新技术开发与利用的力度。其中，热电转换技术是一种利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的“绿色”能源技术, 具有无需传动部件、运行安静、尺寸小、无污染、无磨损、可靠性高等诸多突出优点，在温差发电、制冷和可穿戴设备等领域有着广阔的应用前景，它为应对全球能源危机、保护自然环境提供了一个可持续的解决途径。
碲化铅热电材料由于其优异的性能在军事和航空航天领域得到广泛应用，但其有一个致命缺点-含有铅元素，对环境不友好。新型碲基硫属化合物GeTe有望取代碲化铅成为一种十分理想的环境友好型热电材料。作为窄禁带半导体，GeTe具有高浓度空穴载流子（~1021 cm-3），使其具有高热导率和低塞贝克系数，从而导致其热电性能不高，限制了GeTe热电材料的规模应用。
图1. In、Cu掺杂引入Cu2Te纳米晶、共振能级优化GeTe基热电材料
日前，南京理工大学陈光院士团队唐国栋教授联合南京大学王鹏教授研究团队提出借助Cu2Te纳米晶和共振能级协同优化GeTe材料电声输运新思路，大幅提升了GeTe材料热电性能。鉴于Cu在GeTe中固溶度极低，创新性地提出了通过重含量Cu与In双掺杂来优化GeTe材料热电性能，发现重含量Cu掺杂可以在GeTe中获得Cu2Te纳米晶第二相，利用Cu2Te纳米晶形成声子散射中心调控GeTe的声子输运过程，使晶格热导率在823 K下降到0.31 W m-1 K-1，打破了GeTe材料晶格热导率最低值记录，低于理论计算的GeTe材料非晶极限值。同时发现In掺杂在GeTe费米能级附近产生共振态能级，In、Cu双掺杂不仅有效降低了载流子浓度而且能显著提高GeTe材料载流子迁移率至87 cm2 V-1 s-1，塞贝克系数和载流子迁移率的提升导致功率因子得到大幅提高。这种电声协同效应导致GeTe材料热电优值从0.8提升至2.0，该研究为借助声子工程设计优化高性能GeTe热电材料提供了新思路。
相关研究成果以 “Achieving Ultralow Lattice ThermalConductivity and High ThermoelectricPerformance in GeTe Alloys via IntroducingCu2Te Nanocrystals and Resonant LevelDoping”为题在国际著名期刊《ACS Nano》在线发表。唐国栋教授和王鹏教授为论文共同通讯作者，博士生张青堂为第一作者。
论文链接
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c05650
唐国栋教授与国际热电知名科学家美国西北大学G. Jeffrey Snyder教授、中科院固体物理研究所张永胜教授合作在SnTe热电材料研究方面取得新进展，基于电子结构，构建了SnTe体系的紧束缚模型（TB），对多种三价阳离子对SnTe材料能带结构的影响进行筛选，发现了既可以减小SnTe轻/重价带能量差又能增大其带隙的三价元素As和Sb。DFT计算得知在SnTe中进行Ge-Sb或Ge-As共掺杂，可以将带隙分别增加到0.16和0.20 eV, 同时使轻/重价带能量差分别减小到0.20和0.12 eV，这种能带收敛导致峰值功率因数的显著增加，同时带隙加宽有效抑制了有害的双极热导效应。实验证实了理论预测的结果：As原子掺杂引起的能带简并效应提高了其塞贝克系数和功率因子，进一步提升了热电优值ZT。权重迁移率（weighted mobility）和转化效率的计算结果证实了Ge-As共掺杂SnTe样品具有较高的电学性质。这一研究成果为通过缺陷工程和能带工程设计与寻找提高环境友好型SnTe 热电性能的高效掺杂元素提供了指导。
图2. 通过构建SnTe体系的紧束缚模型（TB）研究多种三价阳离子对能带结构的影响
该研究成果以“Band Engineering SnTe via Trivalent Substitutions for Enhanced Thermoelectric Performance”为题在国际著名期刊Chemistry of Materials在线发表。唐国栋教授，张永胜教授和G. Jeffrey Snyder教授为论文共同通讯作者。博士生张雪梅为第一作者。
论文链接
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.1c03198
上述工作得到了国家自然科学基金面上项目(52071182)和联合基金项目(U1732153)，江苏省青蓝工程中青年学术带头人，江苏省六大人才高峰高层次人才计划，中央高校基本科研专项资金(30921011107) 等支持。
来源：南京理工大学
南京理工大学研究生(南京理工大学研究生院)