【儀表網 研發快訊】日前，南京理工大學唐國棟教授團隊在高性能復合熱電材料研究上取得重要突破，相關成果以“Matrix Plainification Leads to High Thermoelectric Performance in Plastic Cu2Se/SnSe Composites”為題發表于《自然·通訊》Nature Communications 2025, 16, 3305(論文鏈接：https:// DOI: 10.1038/s41467-025-58484-0)。
熱電材料在溫差發電和固態制冷領域具有重要前景，可用于工業余熱回收、深空探測電源供給、5G/6G通信光模塊制冷、光纖激光器等關鍵領域。目前，材料的低熱電優值和器件的高溫服役穩定性是制約熱電技術廣泛應用的瓶頸。Cu2Se熱電材料因化學元素豐富、環境友好、熱電性能優異而備受關注。然而，Cu2Se作為一種超離子導體，高濃度本征銅空位缺陷以及高溫下銅離子遷移顯著削弱材料的載流子遷移率。同時，器件服役過程中內部銅離子會在電場作用下發生定向遷移，嚴重影響材料的穩定性。復合熱電材料的相界面工程雖然可以有效降低材料的晶格熱導率，但是相界面導致強的載流子散射，使得材料載流子遷移率明顯下降，導致低的功率因子和差的熱電性能。
針對這一挑戰，研究團隊率先提出了基體晶格平整化概念(圖1)，創新性地設計了Cu2Se-SnSe復合材料，在復合材料中通過降低Cu2Se材料中的空位濃度，使得Cu2Se基體相的晶格平整化，大幅削弱了晶格缺陷對載流子的散射，實現了復合材料載流子遷移率的顯著提升。研究證明，Sn0.96Pb0.01Zn0.03Se復合相的Sn原子填充了Cu2Se基體相的Cu空位(圖2)，從而提高載流子遷移率，同時復合相與基體之間功函數的巨大差異有效優化了載流子濃度，將材料的功率因子大幅提升到16.22 μW·cm-1·K-2。微觀結構表征發現復合材料兩相之間形成了準共格平直界面，能夠在不影響載流子遷移率的前提下強烈散射聲子，保持優異電性能的同時降低了材料的晶格熱導率。電聲輸運的協同優化使合成的Cu2Se-SnSe復合材料在973 K下熱電優值達到3.3(圖3)。在合成的Cu2Se/SnSe復合材料中還觀察到了高密度的納米孿晶結構，賦予該材料優異的塑性變形能力，其壓縮應變達到12%，相比于Cu2Se材料提升了4倍。理論計算揭示復合相SnSe中的Se原子能夠捕獲基體Cu2Se中遷移的Cu離子，抑制其長程遷移擴散，經實驗證實Cu2Se-SnSe復合材料展現了良好的穩定性(圖4)。研究成果為設計高熱電性能、高穩定性、可加工的復合熱電材料提供了全新范式，對推動固態熱電器件的廣泛應用具有重要意義。
圖1基體晶格平整化實現了Cu2Se/SnSe復合材料載流子遷移率和熱電性能的顯著提升
圖2微結構表征證實了Cu2Se基體晶格平整化
圖3 Cu2Se-SnSe復合材料的熱電優值和力學性能
圖4 Cu2Se-SnSe復合材料穩定性測試和理論驗證
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