歲寒結碩果，科研傳佳訊

北航材料科學與工程學院

趙立東教授團隊

在熱電材料及器件研究領域

取得最新進展

相關成果發(fā)表于《Science》

2025年12月19日，國際頂級學術期刊《Science》報道了北京航空航天大學材料科學與工程學院趙立東教授團隊在熱電材料及器件研究領域取得的最新進展：《Extending the temperature range of the Cmcm phase of SnSe for high thermoelectric performance》。該工作通過在硒化錫（SnSe）材料中大比例固溶高對稱立方相PbSe，成功拓寬了SnSe的高溫Cmcm相的溫度穩(wěn)定區(qū)間，顯著增強了N型SnSe晶體面外方向在Cmcm相的“2D聲子/3D電荷”傳輸特性，將N型SnSe晶體在單個溫度點（748K）下ZT~3.0的性能擴展至673-923 K的寬溫域范圍，溫區(qū)跨度達250K，基于此寬溫域下的卓越熱電性能實現(xiàn)了 ~ 19.1%的發(fā)電效率，該報道揭示了N型SnSe晶體在溫差發(fā)電領域的巨大潛力。

第一作者：高天（2025級博士生），文熠副教授，白樹林（2023級博士生）

通訊作者：宿力中教授，常誠教授，趙立東教授

第一單位：北京航空航天大學材料科學與工程學院

能源是人類社會賴以生存及社會發(fā)展的重要物質基礎，然而在使用過程中約有超過50%的能量以廢熱的形式浪費掉，若能將這些熱能回收并轉成電能，將產(chǎn)生深遠影響。熱電技術可將熱能和電能進行直接轉換，既可基于塞貝克效應實現(xiàn)溫差發(fā)電，又可基于珀爾帖效應實現(xiàn)熱電制冷，在深空探測電源、集成電路熱管理等關鍵領域具有重要應用價值。

圖1. 熱電效應：(A) 基于塞貝克效應的溫差發(fā)電模型； (B) 基于珀爾帖效應的熱電制冷模型

熱電材料的轉換效率主要由其無量綱熱電優(yōu)值（ZT= (S2σ/κ) T）所決定。在給定溫度T下，高效熱電材料應具備：大塞貝克系數(shù) S（以產(chǎn)生大的溫差電壓）、高電導率σ（以減少焦耳熱損耗）以及低熱導率κ（以維持大的溫差）。然而，這些熱電參數(shù)之間的復雜耦合關系限制了ZT值的提升。圍繞高效解耦熱電參數(shù)，該課題組提出了開發(fā)本征低熱導材料、多能帶協(xié)同、晶格素化和柵格素化等策略，形成了篩選寬溫域溫差發(fā)電材料【Science 367 (2020) 1196-1197】和新型制冷材料的新思路【Science 378 (2022) 832-833】。在前沿學科交叉領域，該課題組與中科院化學所朱道本院士課題組的狄重安研究員合作，將提出的策略運用到有機塑料基熱電領域，實現(xiàn)了聚合物熱電材料近室溫熱電性能的重大突破【Nature 632 (2024) 528-535】；該課題組與江雷院士課題組的北航化學學院劉明杰教授合作，將所制備的熱電制冷器件用于柔性磁電領域，為復雜環(huán)境下傳感器的長效穩(wěn)定工作提供了可靠保障【Science 389 (2025) 623-631】。

該課題組長期致力于開發(fā)新型熱電材料及高效發(fā)電和制冷器件，經(jīng)篩選研究發(fā)現(xiàn)SnSe晶體具有優(yōu)異熱電潛力【Nature 508 (2014) 373-377】。此后，該課題組持續(xù)挖掘SnSe晶體的獨特性質，發(fā)現(xiàn)SnSe晶體在面內方向具有優(yōu)異的P型輸運熱電性能。2016年，發(fā)現(xiàn)并利用了多能帶協(xié)同參與的電傳輸增強機制，在P型SnSe晶體中取得了優(yōu)異的近室溫熱電性能，表明SnSe晶體具有極大潛力成為制冷材料【Science 351 (2016) 141-144】。2021年，發(fā)現(xiàn)并提出了多能帶的Synglisis效應（動量與能量空間的多能帶協(xié)同對齊），實現(xiàn)了P型SnSe晶體室溫熱電性能的大幅提升，基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠實現(xiàn) ~ 45.7 K的最大制冷溫差，已達到商用Bi2Te3基制冷器件的70%【Science 373 (2021) 556-561】。2023年，成功驗證了晶格素化策略，在P型SnSe晶體中引入微量的Cu來填充本征Sn空位，實現(xiàn)了超高電傳輸性能（利于低功耗），其熱電制冷器件室溫下能夠實現(xiàn) ~ 61.2 K的制冷溫差，制冷性能已接近商用Bi2Te3基制冷器件【Science 380 (2023) 841-846】。

與SnSe晶體在面內方向展現(xiàn)優(yōu)異P型輸運熱電性能相反，SnSe晶體在面外方向展現(xiàn)出卓越的N型輸運熱電性能。2018年，在Br元素摻雜的N型SnSe晶體中發(fā)現(xiàn)其獨特的“2D聲子/3D電荷”傳輸特性，有效利用了SnSe晶體面外方向極低的晶格熱導率，并在層間產(chǎn)生交疊的電荷密度增強其電傳輸特性，從而在Pnma相SnSe晶體中773K溫度下獲得了ZT ~ 2.8的優(yōu)異熱電性能【Science 360 (2018) 778-783】。2022年，通過調控N型SnSe晶體在Pnma相的晶格對稱性，促進了層間聲-電解耦，進一步增強了“2D聲子/3D電荷”傳輸特性，使Pnma相SnSe晶體在748K的溫度下實現(xiàn)了ZT > 3.0【Science 375 (2022) 1385-1389】。

圖2. (A) N型SnSe晶體面外“2D聲子/3D電荷”傳輸特性：層狀SnSe晶體利用其層結構抑制了（晶格振動）聲子傳輸，但是與聲子不同的電子可通過交疊的電荷密度實現(xiàn)電子隧穿；固溶高對稱相后顯著促進了該傳輸特性；(B) 與目前先進的P型熱電材料的ZT對比圖；(C)與目前先進的單臂熱電器件的發(fā)電效率對比圖

SnSe在800K溫度點為兩相相變點，即<800K為Pnma相，>800K為Cmcm相，此前的研究都聚焦于Pnma相SnSe晶體，然而其具有更高對稱性的Cmcm相的熱電性能的潛力仍未被開發(fā)，同時，基于N型SnSe晶體面外方向的熱電器件研究仍為空白。本工作聚焦于高對稱Cmcm相N型SnSe晶體，通過固溶高對稱相（立方相PbSe）拓寬了Cmcm相的溫度穩(wěn)定范圍，同時，Cmcm相N型SnSe晶體的局域晶格對稱性的提升顯著增強了其“2D聲子/3D電荷”傳輸特性：1) 提升的晶格對稱性有效降低了Cmcm相SnSe晶體的形變勢，在態(tài)密度有效質量（md*）和載流子濃度（nH）顯著增大的同時優(yōu)化了載流子遷移率（μH），促進了“3D電荷”傳輸；2) Pb元素的引入在帶來應力的同時軟化了晶體中的鍵合作用，從而降低了晶格熱導率，增強了“2D聲子”散射。如圖2（B）所示，最終在673-923 K的溫度范圍內獲得了優(yōu)異的寬溫域熱電性能ZTave ~ 3.0。此外，本工作搭建了基于N型SnSe晶體的熱電器件并表現(xiàn)出卓越的熱電轉換效率。如圖2（C）所示，在572 K的溫差下，其單臂熱電器件可實現(xiàn) ~ 19.1%的發(fā)電效率。

本工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2024YFA1210400）、國家自然科學基金青年A類延續(xù)項目（52525101）、國家自然科學基金（52450001; 52403348; 523B2007; 524B2004; 52401258）、科學探索獎等的資助，并得到了中國載人航天工程空間應用系統(tǒng)項目的支持。參與此項工作的還有：太原科技大學宿力中教授課題組、白培康教授課題組、北京高壓科學中心高翔研究員課題組。

趙立東教授課題組

聚焦國際學術前沿

取得系列高水平成果

2025年已發(fā)表3篇《Science》

自2014年以來

第14次發(fā)表Science和Nature正刊

出品 | 航小萱?工作室

素材來源｜材料科學與工程學院

編輯 | 蘭瀾 李彤韻