2018年5月18日，國際頂尖學術期刊《Science》發表了主要由南方科技大學物理系和北京航空航天大學材料學院共同完成的題為“3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals”的研究論文，清華大學、香港大學和中國科學院應用物理研究所-上海光源作為參與單位。我校物理系何佳清教授和北京航空航天大學趙立東教授為該論文的共同通訊作者。
2018年5月18日，國際頂尖學術期刊《Science》發表了主要由南方科技大學物理系和北京航空航天大學材料學院共同完成的題為“3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals”的研究論文，清華大學、香港大學和中國科學院應用物理研究所-上海光源作為參與單位。我校物理系何佳清教授和北京航空航天大學趙立東教授為該論文的共同通訊作者。
熱電轉換技術是一種利用半導體將電能和熱能直接轉換的清潔能源技術。其中核心材料的熱電轉化效率一直制約著該技術的進一步發展。近年來，SnSe（硒化錫）單晶材料因為環保、儲量豐富、價格低廉、性能優異而成為熱電材料領域的明星。2016年何佳清教授合作的論文在《Science》上闡述利用調整能帶結構來調控p型SnSe的導電性和溫差電動勢，從而使其熱電性能在中低溫區實現突破。通過近兩年的時間在該領域繼續深耕，相關研究最近實現n型SnSe熱電性能的突破。
研究發現具有層狀結構的SnSe的二維界面對聲子具有強烈的散射作用 (圖1左)，使得SnSe沿著層間方向具有很低的熱導率，在773K溫度下可達最小理論值 ~ 0.18 W/mK。尋找低熱導率材料和降低熱導率是熱電領域長期以來提高熱電優值ZT的有效途徑。在聚焦SnSe層間低熱導率的基礎上，如能在此方向上實現高的電傳輸性能，則可實現高的熱電性能。通過簡化由 Wiedemann-Franz和Pisarenko關係決定的載流子濃度對ZT值的束縛後，ZT值關係可簡化為: ，可見提高層間電傳輸性能需同時優化載流子遷移率 (m) 和有效質量 (m)。 由於SnSe材料在800K溫度點存在一個從Pnma到Cmcm的相變，經過同步輻射和變溫TEM實驗測試發現該相變從600K便開始持續發生。利用該持續相變特性，通過調整電子摻雜濃度可將輕導帶和重導帶之間經歷一個簡併收斂 (增加有效質量和減小遷移率) 和退簡併收斂 (減小有效質量和增加遷移率) 的過程。利用這一過程，恰好優化了遷移率和有效質量的乘積 (mm) (圖1中)，使得SnSe在整個溫度範圍內都保持較高的電傳輸性能。通過對比電子和空穴摻雜的n型和p型SnSe材料發現，通過電子摻雜後Sn和Se的p軌道在導帶底會產生電子離域交疊雜化（而在價帶頂則不存在這一現象），使得n型SnSe的電荷密度增大到足以填滿層間空隙，實現了層間電子的隧穿 (圖1右)。
圖1. “二維聲子/三維電荷”傳輸顯著提高n型SnSe的熱電性能：層間界面散射阻礙聲子傳輸產生超低熱傳導；連續相變引起的多導帶簡併和退簡併優化了遷移率和有效質量；大的電荷密度使得電子(n型)易於空穴(p型)傳輸。
這一現象可簡單描述為：本徵的SnSe的層狀結構就像一堵牆，可以同時阻礙聲子和載流子 (電子和空穴) 的傳輸。但通過重電子摻雜後，導帶底的電子離域雜化現象增大了電荷密度，在牆內和牆之間只為電子量身定製了一條傳輸的隧道，如圖2所示。在大電荷密度的基礎上，加之連續相變引起的能帶結構變化和晶體對稱性的提高三個主要因素使得SnSe在層間方向表現出優異的電傳輸性能，當溫度高於700K時，在SnSe的層間方向產生了比層內更優異的“三維電荷”傳輸效應。這種 “二維聲子/三維電荷” 傳輸特點大幅提高了n型SnSe的熱電性能。
圖2. “二維聲子/三維電荷”傳輸圖示：(a)導帶底的電子產生離域雜化，增大電荷密度，為電子在層間傳輸提供通道，聲子和空穴受到層的界面阻擋；(b)不受軌道限制的飛機 (聲子)受到高山（層界面）的阻擋，火車（電子）可以穿越隧道，而汽車（空穴）由於軌道不匹配不能穿越隧道。
南科大物理系對該工作有重要貢獻的還有：黃麗助理教授和吳明輝博士後提供了理論計算，解釋了相關性能提高機理；何東昇工程師利用原位變溫透射電鏡技術直接觀察到了材料隨著溫度升高發生結構變化；王克東副教授和吳雪峰博士後利用掃描隧道顯微鏡測量了電荷密度分佈。該工作得到了南科大皮米中心原位透射電鏡技術以及廣東省自然科學基金重大培育項目、廣東省“珠江人才計劃”領軍人才和深圳市孔雀團隊等專項基金的大力支持。
相關鏈接：
文章鏈接：http://science.sciencemag.org/content/360/6390/778
何佳清教授課題組鏈接：
http://jqhphy.sustc.edu.cn/
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