熱電轉換技術利用半導體材料的塞貝克（Seebeck）效應和帕爾貼（Peltier）效應，實現熱能與電能直接相互轉化，具有系統體積小、可靠性高、不排放污染物質、有效利用低密度熱量等特點，在很多領域被廣泛應用。近年來，以skutterudite、half-Heusler、類液態材料等為代表的單相熱電材料的研究取得了進展。但受制于自身的晶體結構和電子能帶結構，單相熱電材料的性能幾乎均已接近甚至達到其理論極大值。

　　雜化材料（Hybrid material）是由二種不同物相在分子或納米尺度均勻混合所構成的復合材料。雜化材料的一種物相為無機材料，另一種物相為有機材料。傳統復合材料兩相的尺寸在微米至毫米甚至更大尺度之間，物理性能往往顯示簡單的兩相“復合法則”。由于雜化材料的兩種物相在分子或納米尺度之間均勻混合，顯示出不同于兩相基體的新物理特性。目前，雜化材料在涂層、生物醫學、建筑、能源等領域研究深入，在熱電材料研究領域也有所嘗試。然而，如何實現第二相的均勻分散，獲得分子/納米尺度的兩相界面，以及其帶來的新效應成為雜化熱電材料研究的難點和重點。

　　近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東，與南方科技大學教授何佳清，“中國臺灣中央研究院”教授Mei-Yin Chou，美國西北大學教授Jeff Snyder等合作，利用金屬Cu原子與多壁碳納米管之間的化學作用和高能球磨技術，制備了碳納米管沿硒化亞銅(Cu2Se)化合物晶界單根均勻分散的雜化熱電材料，將熱電優值大幅度提高至2.4。該無機-有機雜化熱電材料完全不同于在毫米至微米尺度混合的傳統復合熱電材料，展現出了一系列有別于Cu2Se和碳納米管的新的物理性質，豐富和拓寬了熱電材料的設計理念。

　　碳納米管表面由于自由電子的存在而具有很高的化學活性。第一性原理計算發現，當金屬Cu原子與碳納米管表面接近時，會產生很強的化學作用。當Cu原子距離碳納米管表面六元環中心位置1.83埃時，所形成的化學鍵的鍵能為0.24eV。這使得在利用高能球磨技術將碳納米管、單質Cu粉和單質Se粉混合時，一部分Cu原子可以化學吸附于碳納米管表面，進而與Se原子反應，在碳納米管表面原位生成Cu2Se納米晶，最終獲得碳納米管在Cu2Se基體中單根均勻分散的Cu2Se/碳納米管無機-有機雜化材料。

　　由碳納米管和Cu2Se兩種物相所構成的新型雜化熱電材料在很多物理性能上，超越了傳統復合材料中簡單的兩相“復合法則”。例如，碳納米管沿軸向的晶格熱導率（約2000W/mK）比Cu2Se高約4個數量級，但Cu2Se/碳納米管雜化材料的晶格熱導率卻遠低于兩相基體，僅為0.2-0.4W/mK。進一步研究發現，碳納米管/Cu2Se形成的分子/納米尺度上的兩相界面對低頻聲子的散射，以及碳納米管對Cu2Se晶格的“軟化”是造成如此低晶格熱導率的根本原因。此外，由于碳納米管和Cu2Se具有相近的功函數，使兩相界面處的電荷耗盡層寬度并不足以導致對載流子的額外散射，因此Cu2Se/碳納米管雜化材料的載流子遷移率并沒有像傳統復合材料一樣出現明顯降低。綜合這些反常的電-熱輸運性質，Cu2Se/碳納米管雜化熱電材料表現優異的熱電性能。在1000K時，其最高熱電優值zT為2.4，較Cu2Se基體提高了約30%。

　　除Cu原子之外，計算表明其它多種金屬原子（如Ag, Ti, Ni, Pd, Pt等）也與碳納米管、石墨烯等碳基材料存在類似的化學作用。因此，該研究可拓展至其它包含上述金屬元素的熱電材料體系以開發新型的高性能無機-有機雜化熱電材料。

　　相關研究成果發表在Energy & Environmental Science上，并申請中國發明專利。該研究工作得到了國家973計劃，國家自然科學基金，中科院重點研究項目，上海優秀學科帶頭人、中科院青年創新促進會等的資助和支持。

　　論文鏈接 

(a) Cu原子在碳納米管表面的化學鍵；(b) Cu2Se/碳納米管無機-有機雜化材料的熱電優值及(c) 制備過程。

Cu2Se/碳納米管無機-有機雜化材料的微觀形貌。

　　Cu2Se/碳納米管無機-有機雜化材料(a)晶格熱導率；(b) 載流子濃度和遷移率；(c)兩相界面處耗盡層示意圖。