新進(jìn)展、新突破！北京航空航天大學(xué)再發(fā)《Science》！

歲寒結(jié)碩果，科研傳佳訊

北航材料科學(xué)與工程學(xué)院

趙立東教授團(tuán)隊

在熱電材料及器件研究領(lǐng)域

取得最新進(jìn)展

相關(guān)成果發(fā)表于《Science》

2025年12月19日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》報道了北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授團(tuán)隊在熱電材料及器件研究領(lǐng)域取得的最新進(jìn)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(qiáng)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(diǎn)（748K）下ZT~3.0的性能擴(kuò)展至673-923 K的寬溫域范圍，溫區(qū)跨度達(dá)250K，基于此寬溫域下的卓越熱電性能實(shí)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(lǐng)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

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

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

熱電材料的轉(zhuǎn)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(yīng)具備：大塞貝克系數(shù) S（以產(chǎn)生大的溫差電壓）、高電導(dǎo)率σ（以減少焦耳熱損耗）以及低熱導(dǎo)率κ（以維持大的溫差）。然而，這些熱電參數(shù)之間的復(fù)雜耦合關(guān)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(dǎo)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(xué)科交叉領(lǐng)域，該課題組與中科院化學(xué)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(yùn)用到有機(jī)塑料基熱電領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了聚合物熱電材料近室溫?zé)犭娦阅艿闹卮笸黄啤綨ature 632 (2024) 528-535】；該課題組與江雷院士課題組的北航化學(xué)學(xué)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(lǐng)域，為復(fù)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(dú)特性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)SnSe晶體在面內(nèi)方向具有優(yōu)異的P型輸運(yùn)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(qiáng)機(jī)制，在P型SnSe晶體中取得了優(yōu)異的近室溫?zé)犭娦阅埽?strong>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(yīng)（動量與能量空間的多能帶協(xié)同對齊），實(shí)現(xiàn)了P型SnSe晶體室溫?zé)犭娦阅艿拇蠓嵘?/strong>，基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠?qū)崿F(xiàn) ~ 45.7 K的最大制冷溫差，已達(dá)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(shí)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?qū)崿F(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(nèi)方向展現(xiàn)優(yōu)異P型輸運(yùn)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(yùn)熱電性能。2018年，在Br元素?fù)诫s的N型SnSe晶體中發(fā)現(xiàn)其獨(dú)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(dǎo)率，并在層間產(chǎn)生交疊的電荷密度增強(qiáng)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(diào)控N型SnSe晶體在Pnma相的晶格對稱性，促進(jìn)了層間聲-電解耦，進(jìn)一步增強(qiáng)了“2D聲子/3D電荷”傳輸特性，使Pnma相SnSe晶體在748K的溫度下實(shí)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(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)電子隧穿；固溶高對稱相后顯著促進(jìn)了該傳輸特性；(B) 與目前先進(jìn)的P型熱電材料的ZT對比圖；(C)與目前先進(jìn)的單臂熱電器件的發(fā)電效率對比圖

SnSe在800K溫度點(diǎn)為兩相相變點(diǎn)，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(qiáng)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(zhì)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(jìn)了“3D電荷”傳輸；2) Pb元素的引入在帶來應(yīng)力的同時軟化了晶體中的鍵合作用，從而降低了晶格熱導(dǎo)率，增強(qiáng)了“2D聲子”散射。如圖2（B）所示，最終在673-923 K的溫度范圍內(nèi)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn) ~ 19.1%的發(fā)電效率。

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

趙立東教授課題組

聚焦國際學(xué)術(shù)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(xué)與工程學(xué)院

編輯 | 蘭瀾 李彤韻