同濟(jì)大學(xué)非全日制研究生裴艷中教授加盟同濟(jì)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，在高性能熱電材料研究與開發(fā)方面取得了系列進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nature Communications(2篇)、Advanced Materials(3篇，IF 18.96)等高水平期刊上。高性能熱電材料應(yīng)同時(shí)具備高導(dǎo)電性和低導(dǎo)熱性，但這兩方面強(qiáng)烈耦合、此消彼長(zhǎng)，難以調(diào)控。長(zhǎng)期以來(lái)，降低晶格振動(dòng)而引起的那部分熱導(dǎo)率——晶格熱導(dǎo)率，是提升熱電性能的主要途徑。

　　熱電能源轉(zhuǎn)換技術(shù)利用溫差驅(qū)動(dòng)電子定向遷移，實(shí)現(xiàn)熱能與電能的直接轉(zhuǎn)換，是清潔能源技術(shù)的典型代表。然而，要獲得與現(xiàn)有熱機(jī)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換效率，材料的平均熱電優(yōu)值(zT)需達(dá)3.0左右，現(xiàn)有研究zT峰值可達(dá)2.0左右。因此，提高材料熱電性能是提升轉(zhuǎn)換效率并推進(jìn)其大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　裴艷中教授課題組近年來(lái)致力于電熱性質(zhì)解耦、最小化晶格熱導(dǎo)率兩個(gè)方面的研究，發(fā)展了能帶調(diào)控解耦電熱性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控分級(jí)降低晶格熱導(dǎo)率的指導(dǎo)思路與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，協(xié)同這兩類手段在多材料體系獲得熱電性能大幅提升。

　　多能帶提升了電學(xué)性質(zhì)研究：在前期能帶調(diào)控的工作基礎(chǔ)之上(Adv. Mater. 2012, 24, 6125)，利用固有能帶嵌套結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多能帶傳導(dǎo)載流子，開發(fā)了300-700 K溫區(qū)內(nèi)熱電性能最高(zT1)的單質(zhì)材料——碲(圖1)，填補(bǔ)了該溫區(qū)高性能單質(zhì)熱電材料的空白(Nat. Commun. 2016, 7, 10287);通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)研究，重新認(rèn)識(shí)了傳統(tǒng)熱電材料GeTe的zT可高達(dá)1.8，并闡明了其高zT的起因源自多能帶導(dǎo)電 (NPG Asia Mater. 2017, 9, e353)。

　　分級(jí)降低晶格熱導(dǎo)率研究：一方面基于不同尺度的缺陷散射不同頻率的導(dǎo)熱基元(聲子)，設(shè)計(jì)多級(jí)缺陷降低晶格熱導(dǎo)率(κL)。通過(guò)空位誘導(dǎo)形成高濃度位錯(cuò)，這些一維線缺陷使PbSe的κL降低至玻璃態(tài)(圖2)，zT達(dá)到1.7，為當(dāng)前該材料報(bào)導(dǎo)最高值(Nat. Commun. 2017, 8, 13828);利用零維點(diǎn)缺陷(空位和間隙)對(duì)聲子的強(qiáng)烈散射作用，開發(fā)了具有本征空位結(jié)構(gòu)的新型熱電材料Cu2SnSe4(Chem. Mater. 2016, 28, 6227-6232) ;大幅降低了含有間隙Cu離子結(jié)構(gòu)的SnTe材料的晶格熱導(dǎo)率 (Adv. Elec. Mater. 2016, 2, 1600019)。另一方面，通過(guò)尋找低聲子輸運(yùn)速度的材料(即低聲速)，開發(fā)了具有已知熱電材料中κL最低、性能媲美于傳統(tǒng)材料的新型熱電材料體系A(chǔ)g8SnSe6(Adv. Sci. 2016, 3, 1600196)。

　　協(xié)同上述策略大幅提升熱電性能研究：協(xié)同多能帶導(dǎo)電與間隙原子點(diǎn)缺陷使SnTe 材料zT 達(dá)到1.6(提升300%)，為當(dāng)前該材料最高(Adv. Mater. 2017, 29, 1605887;ACS Energy Letters 2017, 2, 563);協(xié)同多能帶導(dǎo)電與位錯(cuò)線缺陷使PbTe 的zT 達(dá)到2.2，為當(dāng)前該材料最高值之一(Adv. Mater. 2017,29,1606768);協(xié)同多能帶導(dǎo)電與點(diǎn)缺陷使GeTe 材料zT 達(dá)到2.0(Chem. Mater. 2017, 29, 605)。