半導(dǎo)體熱電材料可通過Seebeck效應(yīng)和Peltier效應(yīng)實現(xiàn)熱能和電能的直接相互轉(zhuǎn)換，在廢熱/余熱回收發(fā)電、控溫制冷、傳感探測等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。近日，我校物理學(xué)院能量轉(zhuǎn)換材料與器件團隊和北京航空航天大學(xué)趙立東教授合作，在二元硫族半導(dǎo)體p型SnSe熱電薄膜與器件研究方面取得進展。相關(guān)工作“Constructing quasi-layered and self-hole doped SnSe oriented films to achieve excellent thermoelectric power factor and output power density”以封面文章形式發(fā)表在《Science Bulletin》(Science Bulletin 2023, 68:2769-2778）上，河北大學(xué)為論文第一完成單位，我校博士生薛宇利為第一作者，李志亮副教授、王淑芳教授和北京航空航天大學(xué)趙立東教授為共同通訊作者。

近年來，二元硫族半導(dǎo)體SnSe因其優(yōu)異的熱電性能及組成元素儲量豐富、綠色環(huán)保而備受關(guān)注。由于SnSe的固有載流子濃度偏低（約10¹⁷ cm-3）且其薄膜材料的摻雜極為困難，導(dǎo)致SnSe薄膜的熱電功率因子PF和器件輸出功率密度較低。因此，探索新的載流子濃度優(yōu)化策略對于提升SnSe熱電薄膜及器件的性能至關(guān)重要。針對此關(guān)鍵問題，李志亮副教授等人利用脈沖激光沉積加后硒化處理技術(shù)制備了準(zhǔn)層狀a軸取向SnSe基薄膜，通過層間電荷轉(zhuǎn)移和自空穴摻雜效應(yīng)優(yōu)化了薄膜的載流子濃度，使其熱電功率因子在600 K時達到了5.9 μW cm^-1 K^-2，為目前報道的最好結(jié)果。基于該薄膜構(gòu)筑的SnSe基熱電發(fā)電器件在50 K、90 K的溫差下分別獲得了約83 μW cm^-2、838 μW cm^-2的超高功率密度。

在另一項工作中，該團隊寧興坤副教授等人以鉛基二元硫族半導(dǎo)體PbX(X=Te, Se)為研究對象，采用脈沖激光沉積技術(shù)構(gòu)建了PbX(X=Te, Se)/非晶SrTiO₃(a-STO)多重量子阱超晶格，利用量子限域效應(yīng)大幅提升了其電學(xué)性能，在室溫下分別獲得了高達40.9 μW cm^-1K^-2(PbTe/ a-STO)和24.5 μW cm^-1K^-2(PbSe/ a-STO)的熱電功率因子。此外，作者通過調(diào)控量子阱的厚度，使其在聲子平均自由程尺度范圍內(nèi)，降低了熱導(dǎo)率，實現(xiàn)了PbX(X=Te, Se)基熱電材料電、熱輸運的協(xié)同調(diào)控。相關(guān)工作以河北大學(xué)為第一單位分別發(fā)表在Advanced Functional Materials, 2023, 33:2303981和Acta Materialia, 2024, 262:119452，寧興坤副教授為文章的第一作者，王淑芳教授為通訊作者。 

物理學(xué)院能量轉(zhuǎn)換材料與器件團隊主要開展半導(dǎo)體光電/熱電材料設(shè)計制備、性能調(diào)控與器件應(yīng)用研究。2023年來，該團隊以河北大學(xué)為第一單位在Advanced Materials (IF=29.4)、Science Bulletin (IF=18.9)、Advanced Functional Materials (IF=19)、Nano Energy (IF=17.6)等著名期刊發(fā)表中科院一區(qū)論文10余篇。

主要文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.09.037

https://doi.org/10.1002/adfm.202303981

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119452

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301705

https://doi.org/10.1002/adfm.202306526

（物理學(xué)院、科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院 供稿）