上海光源BL14B1线站助力热电材料研究取得重大突破

热电材料直接将热能与电能进行相互转换，热电转换技术具有系统体积小、可靠性高、无污染物排放、适用温度范围广等特点被广泛关注，比如嫦娥三号探测器中主要动力就是来自核素释放热量通过热电材料转换。因此，新型热电材料是目前世界各国的研发重点领域之一。

2018年5月18日，北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授课题组在 Science杂志上在线发表了SnSe热电材料研究新进展：《3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals》。利用硒化锡（SnSe）的层间最低热传导特性（二维声子传输），通过电子掺杂促进离域电子杂化，实现了电子在n型SnSe层间的隧穿（三维电荷传输）。这种 “二维声子/三维电荷” 传输特性大幅提高了n型SnSe晶体材料的热电性能，此研究将为探索新型高效热电材料提供了新思路——具有二维层状结构的热电材料  (Science 360 (2018) 778-783.)。

图1. a) n型SnSe相变前后ZT值随温度变化关系；b) 同步辐射XRD和Ce校准TEM证明SnSe高温下Se-Se层内与层间间距比值出现大幅增加。

图2. 利用上海光源衍射线站收集到的原位X射线衍射数据 a) n型 seSn; b)p 型SnSe; c) 衍射数据精修晶格常数变化清楚揭示Pnma到Cmcm相转变过程。X射线使用能量为18 keV。

为了研究SnSe优异三维热电性能的根源，研究团队利用球差矫正透射电镜（图1）发现SnSe在加热过程中原子局域存在一定的移动，高温时Se-Se层内与层间间距的比值出现大幅增加，可能导致热电性能提升，但对SnSe材料整体结构变化急需同步辐射高温衍射实验测试。SnSe材料极为不稳定，加热过程一般都要在无氧环境下完成。研究团队与衍射线站团队多次商讨实验方案，利用线站自行研制的纳米生长专利设备，进行同步辐射高温衍射研究。如图2所示发现从600 K开始，初始Pnma相持续转变为高对称性的Cmcm结构，而对称性的提升是热电性能提升的根源。利用该持续相变特性，通过调整电子掺杂浓度可将轻导带和重导带经历一个简并收敛 (增加有效质量和减小迁移率) 和退简并收敛 (减小有效质量和增加迁移率) 的过程。利用这一过程，恰好优化了迁移率和有效质量的乘积，使得SnSe在整个温度范围内都保持较高的电传输性能。系列高温同步辐射衍射数据精修结果，进一步得到晶格中SnSe精确的原子占位，从而可以直接得出Se-Se层内与层间间距的比值，结果显示于图1，与n型SnSe高温热电性能完全一致。 

共同参与该工作的有：南方科技大学的何佳清教授（共同通讯作者）课题组、黄丽教授课题组和王克东教授课题组，清华大学的李敬锋教授课题组、中科院上海应用物理研究所的朱方园副研究员和香港大学的陈粤教授课题组。该工作主要得到了国家自然科学基金、北京市科学技术委员会、教育部111引智计划和北航青年拔尖计划等项目的资助。

论文原文链接：http://science.sciencemag.org/content/360/6390/778