圍繞幾類環境友好的新型熱電材料，中國科學院寧波材料技術與工程研究所光電功能材料與器件團隊通過理論與實驗緊密結合，在能帶工程和性能優化方面開展了一系列有特色和成效的研究工作并有力推動了相關實驗研究進展。
 圖1. α-MgAgSb中能帶工程示意圖
 　　熱電材料是一類能夠實現熱電與電能直接相互轉換的功能材料，可用于半導體制冷、高精度溫控和溫差發電。為提升熱電轉換效率，需要在保持較低熱導率的基礎上盡可能提高材料的功率因子S2σ。然而Seebeck系數S和電導率σ之間具有本征關聯性，通常難以實現功率因子的大幅度提升。利用“能帶工程”能夠在一定程度上實現S和σ的解耦合，以獲得較高的功率因子和轉換效率。
 圖2. In&Mn共摻SnTe能帶工程示意圖及實驗結果
 　　該團隊研究人員以近室溫區新型熱電材料α-MgAgSb為例，通過理論先行開展能帶工程設計，并有力推動了相關實驗研究進展。由基礎電子結構理論可知，共價鍵結合的半導體中帶隙多來自于成鍵態與反鍵態的分裂，其價帶或導帶具有典型的成鍵態或反鍵態特征。研究人員通過探索“摻雜元素能級—成鍵/反鍵態強度—能帶色散”之間的內在關聯，為α-MgAgSb多能谷簡并設計了多種摻雜方案。這種能帶工程設計思路極具操作性，不僅適用于α-MgAgSb，也可為其它熱電材料能帶調控提供理論指導。該研究工作發表在《先進能源材料》(Adv. Energy Mater. 2017, 1700076)。
 　　SnTe有望替代PbTe，成為一類環境友好型中溫區熱電材料。在前期工作中，該團隊已通過“價帶簡并”和“共振能級”兩種能帶工程機理實現其熱電性能優化。他們最近研究發現，SnTe中共振態能級位置和輕/重價帶能量差具有良好的匹配性，這預示上述兩種機理可在SnTe中協同作用，實現較大溫區內熱電性能的全面提升。研究人員進一步指出，實現兩種機理協同作用的共摻方案是較低濃度的In和適量的Mg、Mn或Cd等元素。實驗研究證實了這些理論預測，相關研究工作發表在ACS Energy Lett. 2017, 2: 1203和J. Mater. Chem. C 2017, doi: 10.1039/C7TC02162C等。
 圖3. Ag摻雜SnSe織構化多晶的遷移率和ZT值
 　　SnSe是近年來被報道的高性能中溫區熱電材料，然而其機械性能較差。該團隊研究人員自主開發了“水平梯度凝固法”，獲得了高質量大尺寸SnSe單晶，相關工作發表在J. Cryst. Growth 2017, 460: 112和J. Alloys Compd. 2017, 712: 857。研究人員同時還制備了SnSe多晶，以克服單晶生長條件苛刻、制備周期較長等缺點，并通過摻雜設計來改善其熱電性能。例如PbBr2摻雜獲得性能優異的n型SnSe多晶，Ag摻雜獲得性能優異的p型SnSe多晶。相關研究工作發表在RSC Adv. 2017, 7: 17906和NPG Asia Mater. 2017等。
 　　以上工作獲得了國家自然科學基金(11234012，11404350，11404348)、浙江省杰出青年基金(LR16E020001)和寧波市科技創新團隊(2014B82004)等項目支持。
 　　編輯點評
 　　熱電材料作為一類能夠實現熱電與電能直接相互轉換的功能材料，可用于半導體制冷、高精度溫控和溫差發電，寧波材料所圍繞幾類環境友好的新型熱電材進行研究探索，并取得系列進展，這將實現較大溫區內熱電性能的全面提升，有助于提升熱電轉換效率。