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日前，南京理工大学唐国栋教授团队在热电材料研究方面取得最新进展，相关研究成果以“Multiple Valence Bands Convergence and Localized Lattice Engineering Lead to Superhigh Thermoelectric Figure of Merit in MnTe”为题发表于国际著名期刊《Advanced Science》(Adv. Sci. 2023, 2206342，DOI: 10.1002/advs.202206342，IF=17.521）。我校为论文第一通讯单位，唐国栋教授为论文通讯作者，留学博士生Shahzada Zulkifal为第一作者。
随着人类能源消费激增、化石燃料匮乏至枯竭以及生态环境日趋恶化，我国作为世界上最大的能源生产国、消费国和碳排放国，能源问题将事关国家的安全和发展。热电转换技术具有系统体积小、无噪音、无污染、适用温度范围广、可靠性高等突出优点，在温差发电和微系统芯片控温制冷等领域有重大应用价值。
图1Mn0.91Ge0.08Sb0.07Te0.90S0.1材料高角环形暗场-扫描透射电子像（HAADF-STEM）
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。碲化锰（MnTe）材料具有元素无毒、来源丰富、低成本等优势，是极具发展前景的一类新型环境友好型中温热电材料。然而由于Mn（1.55）和Te（2.10）之间存在较大的电负性差异而导致的强光学声子散射降低了载流子迁移率。低载流子迁移率和低载流子浓度（1018 cm-3）导致其热电性能仍处于较低的水平。先前唐国栋教授团队在该材料体系获得了峰值ZT为1.4（Nano Energy, 2021, 81, 105649），性能超过了当时国际上已报道的MnTe基热电材料。为了与传统n型同类产品相匹配以形成高效的热电器件，p型MnTe仍需要对其电热输运性能进行优化，以获得更高的热电转换效率。
图2材料的（a）热电优值ZT，（b）ZT与国际上报道的结果比较
针对上述问题，研究团队分析了MnTe的多价带能带输运结构，发现MnTe中价带极大值能量差较大，认为通过调控能带，促使MnTe能带收敛，减少MnTe价带能量差，有效促进载流子的多价带传输，提升材料的Seebeck系数，显著提升功率因子，可以解决现有载流子浓度优化带来材料的Seebeck系数显著下降和功率因子偏低的问题。唐国栋教授联合南京大学王鹏教授、曲阜师范大学张永胜研究员研究团队，创新性提出通过局域晶格工程与价带收敛协同优化MnTe材料电声输运新思路，通过Ge-Sb-S合金化大幅提升了MnTe材料热电性能。团队研究发现Ge-Sb的引入促使MnTe材料价带收敛和电子态密度提升，导致塞贝克系数显著增强。同时Ge-Sb-S合金化优化了材料载流子浓度，从而导致材料功率因子显著提高，在MnTe材料中获得了高达1289 μWm-1K-2的功率因子。同时，发现MnS纳米棒、密集型晶格畸变、高密度位错结构有效增强声子散射，利用局域晶格工程在MnTe材料中获得了极低晶格热导率（0.54 Wm-1K-1），接近该材料热导率非晶极限值。这种电声协同效应使材料的热电优值ZT提升到1.6，再一次打破MnTe材料性能国际最高值记录。该研究对推动MnTe热电材料在高效固态热电发电器件中的广泛应用具有重要意义。
上述工作得到了国家自然科学基金面上项目(52071182)，江苏省青蓝工程中青年学术带头人，中央高校基本科研专项资金(30921011107)等项目的支持。
来源：南京理工大学
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202206342
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