深圳大学范平研究团队和南方科技大学刘玮书研究团队合作在新型纳米结构调控热电性能方面取得重要进展

热电材料能够实现热能和电能的直接相互转化，在温差制冷、温差发电和传感器领域具有重要应用价值。纳米结构工程能够实现材料电热输运性能的协同调控，是获得高性能热电材料的重要手段。在纳米复合热电材料中，纳米第二相可以造成额外的声子散射而降低晶格热导率。而纳米相和基体相形成共格结构的界面结构时也可降低对电子的散射作用，从而显著优化材料的热电性能。近日，深圳大学物理与光电工程学院范平教授、李甫研究员和南方科技大学刘玮书副教授团队合作，发现过量的Br掺杂将诱导Pnma Bi₂SeS­₂基体相部分转变为Pnnm Bi₂SeS­₂基体相策略，原位合成具有共格界面的准同成份、异结构（hoC-heS）的纳米复合材料，使材料的声子散射显著增强的同时，对电子的输运影响甚微，从而达到优化复合材料热电性能的目的，使该硫化物材料热电优值在773K提升到1.12。

不同于以往报道的异成份、同结构（heC-hoS）或异成份、异结构（heC-heS）纳米复合材料，该研究利用掺杂诱导相转变实现同成份、异结构（hoC-heS）的纳米复合材料，属于一类新型的纳米复合热电材料（图1）。研究人员提出了一种由Pnma Bi₂SeS₂ - Pnnm Bi₂SeS₂组成的准hoC-heS纳米复合材料，由于两相之间的细微结构差异，在基体和第二相之间形成相干界面。研究发现溴掺杂引起了Pnma Bi₂SeS₂到Pnnm Bi₂SeS₂的相转变（图2），同时实验上观察到的铋-硒键长变化反映了Pnnm Bi₂SeS₂体系中依赖于掺杂的局部结构紊乱，这显著降低了晶格热导率而对载流子迁移率的影响较小，从而有效提高了样品的热电优值（图3）。通过掺杂诱导相变设计具有同质组成和异质结构的纳米复合材料，实现电热输运性能的协同调控以增强热电性能，为设计高性能纳米复合材料提供了新的策略。

相关成果以“Homo-composition and Hetero-structure Nanocomposite Pnma Bi₂SeS₂ - Pnnm Bi₂SeS₂with High Thermoelectric Performance”在Nature旗下高水平期刊《Nature Communications》杂志发表。该论文深圳大学物理与光电工程学院Bushra Jabar博士后、李甫研究员、郑壮豪副研究员为论文的共同第一作者。深圳大学物理与光电工程学院的李甫研究员、范平教授、南方科技大学刘玮书副教授为论文的通讯作者。

该工作也是继本团队在2021年6月份于Nano Energy 上发表的“High Thermoelectric Properties Achieved in Environmentally Friendly Sulfide Compound Bi₂SeS₂ by Nanoenginnering”工作的后续重要进展，后附文章链接。

【图文导读】

图1Bi₂SeS₂的纳米组成和晶体结构示意图。

(a)根据纳米复合材料的基体相和纳米析出相的晶体结构和化学组成差异的三种三种纳米复合材料。目前大多数报道的纳米复合材料属于异成份和同结构（heC-hoS）或异成分和异结构（heC-heS）。(b)Pnma Bi₂SeS₂ - Pnnm Bi₂SeS₂（hoC-heS）纳米复合材料内部输运机制的结构和示意图。(c-d)Bi₂SeS₂Pnma相在ac晶面的晶体结构。(e-f)Bi₂SeS₂Pnnm相在ab晶面的晶体结构。

图2相结构与晶格常数变化。

（a）不同掺杂样品的XRD图谱。（b）XRD图谱精修结果。（c）不同掺杂样品中两相的变化。（d）Pnma相晶格常数随掺杂量的变化。

图3热输运性能及ZT值。

（a）不同掺杂样品的热导率随测试温度的变化。（b）不同掺杂样品晶格热导率的变化以及理论计算晶格热导率（虚线）。（c）不同掺杂样品的ZT值随测试温度的变化。（d）ZT值随掺杂量的变化。同时给出了不同掺杂量样品中两相的成分含量。（e）-（f）本实验所得样品的ZT_max值和平均ZT_ave值与文献数据的比较

【文献链接】

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27564-2

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521005280

【作者简介】

范平，深圳大学物理与光电工程学院教授，深圳市先进薄膜与应用重点实验室主任，深圳大学薄膜物理与应用研究所所长，深圳市真空学会理事长，兼任中国真空学会理事、广东省物理学会副理事长。长期从事功能材料在能量转化的基础和应用研究，曾获得广东省自然科学二等奖，获国家科技部重大专项，广东省重大科研项目，深圳市学科布局项目等，已在Advanced Materials、Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Progress in photovoltaic, Solar energy materials andsolar cells, Applied Physics Letter等高水平杂志上发表SCI学术论文100余篇，已授权国内发明专利共12项，日本、美国、欧盟授权发明专利共7项。

刘玮书，南方科技大学材料科学与工程系副教授，主要研究领域：电子热电，离子热电，柔性热电器件，分布式微型热电电源等，目前已经在Science,PNAS, Nat. Commun., Energy Environment Sci, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Acta Mater. 等发表学术论文110余篇，引用>8000, H-index 45，共申请发明专利34件，授权17件。 2019年，获得首届腾讯科学探索奖，2020年入选斯坦福大学全球前2%顶尖科学家

李甫，深圳大学物理与光电工程学院研究员，深圳市高层次人才。2013年1月博士毕业于清华大学，2013年3月至2016年3月于清华大学深圳研究生院从事博士后研究工作。2016年4月入职深圳大学从事教学科研工作，主要从事半导体热电转换材料与微器件的研究。以项目负责人身份主持两项国家自然科学基金项目，两项广东省自然基金项目，三项深圳市基础研究项目和两项校企横向项目。同时，以科研骨干身份参与了多个科研项目。目前在Nat. Commun.，Energy Environ. Sci.，Nano Energy，Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A，Chem. Commun.，ACS App. Mater. Inter.，Energy等国际高水平学术期刊上累计发表与热电相关的论文五十余篇，总引用>2000次。

郑壮豪，法国雷恩第一大学材料学博士，2018年度国家优秀自费留学生奖学金获得者。现任深圳大学物理与光电工程学院副研究员，硕士生导师，深圳市海外高层次人才（孔雀），南山区领航人才，深圳市先进薄膜与应用重点实验室实验中心管理主任，深圳市真空学会理事。一直从事新型能源材料和器件方面的研究，着重于高性能热电材料及器件、薄膜太阳能电池、柔性可穿戴器件等的开发。主持国家自然科学基金项目、广东省自然科学面上基金项目、广东省教育厅青年创新项目、深圳市海外高层次人才启动项目和深圳市科技计划面上项目多项；获得2018年度广东省自然科学二等奖；长期担任Nano Energy, Journal of Power Source, Journal of Materials Chemistry A等国际知名期刊审稿人；已在Advanced Materials, Nano Energy、Chemical Engineering Journal、Nanoscale、Applied Physics Letters、ACS Applied Materials Interface等国内外主要专业期刊上发表SCI收录论文100余篇；获得美国和日本等国家授权发明专利7项，国内发明专利授权12项。

基金支持：

该工作得到了国家自然科学基金 (批准号52072248)，广东省自然科学基金（No. 2021A1515012128, No. 2018A030313574），深圳大学青年教师启动项目（No.827-000357）等项目资金的支持。