赵立东，Science！

纳米人 · 公众号 · 科技创业科技自媒体 · 2024-10-19 09:12

正文

编辑总结

热电材料是一种能够相互转换热能和电能的材料，因此该材料在发电和制冷方面均有应用潜力。本文对这一领域的最新进展进行了综述，尽管锡硒化物是一种狭带隙半导体，此类材料并不是一个明显的热电材料选择。然而，十年前，锡硒化物被证明具有很高的热电效率。这一发现以及对该化合物的进一步改良，对于开发新一代热电材料和设备至关重要。——Brent Grocholski

背景介绍

热电材料是能够实现热能与电能相互转换的材料，因其在发电和制冷方面的广泛应用而成为研究热点。近年来，锡硒化物（SnSe）作为一种狭带隙半导体，因其意外的高热电效率引起了广泛关注。然而，尽管SnSe在实验室规模下展现出卓越的热电性能，其在器件构建和工业应用中仍面临效率和稳定性不足的挑战。为了解决这些问题，研究者们不断探索提高材料性能的方法，并加强器件设计。

为了解决上述问题，北京航空航天大学赵立东教授和美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授等人在Science期刊上发表了题为“The development and impact of tin selenide on thermoelectrics”的最新综述论文。他们对热电材料的发展进行了综述，特别关注SnSe的研究进展。他们指出，SnSe的优异特性主要源于其低热导率和高载流子迁移率。这一突破促使了大量研究，以深入理解SnSe的热传输机制，包括多电子带的协同作用、三维电荷和二维声子传输等。此外，研究还探讨了氧化物去除和晶格平面化对热电性能的影响。

本文亮点

（1）综述了热电材料的最新进展，特别是锡硒化物（SnSe）在发电和制冷方面的应用潜力。研究表明，SnSe因其低热导率和高载流子迁移率而具有优异的热电效率，成为当前热电材料研究的热点。

（2）综述通过分析电和热传输的基本原理，揭示了热电材料性能提升的机制。首先，复杂的电子结构有利于电传输，而大单元晶胞和复杂的晶格结构则降低热导率，这种特性有助于发现新的热电材料。其次，SnSe的研究促进了对多电子带及其协同作用的深入理解，并探讨了三维电荷和二维声子传输的相互关系，这些发现为其他热电材料的研究提供了重要指导。

（3）尽管SnSe材料在实验室中表现出优异的热电性能，但在器件构建方面仍处于起步阶段。当前，n型SnSe的开发不及p型材料，界面工程的改进对提升器件效率和稳定性至关重要。

（4）展望未来，热电材料的研究将更加强调机器学习、高通量材料设计及跨学科协作。提高材料性能和稳定性的同时，深入探索器件设计与应用场景，以推动热电产业的发展并实现其在可再生能源技术中的潜力。整体而言，SnSe的发展激励了对其他热电材料的探索，为材料科学的进步提供了新的视角。

图文解读

图 1. 先进热电材料的性能

图 2. 非谐性和固有的低热导率

图 3. 用于增强 PF 的复杂电子结构

图 4. 用于获得高平面外性能的 3D/2D 传输和 DPM 策略

图 5. 用于热电研究的微结构构造

图 6 多维结构热电器件

结论展望

在过去十年中，热电学领域经历了快速发展，尤其是锡硒化物（SnSe）等材料的发现和改进。这一时期标志着热电材料开发的重要里程碑，深化了我们对驱动高热电性能的基本理解，以及这种理解在能源管理、节能及各类科学和技术领域可能产生的广泛影响。SnSe以其有利于热电传输的固有物理特性而闻名，包括强非谐性、复杂的电子能带、三维/二维传输、对氧化的敏感性和缺陷诱导的调控，成为了一种重要材料，展现出在发电和固态制冷方面的巨大潜力。此外，研究工作已经多样化，探索具有SnSe类似特性的热电材料。这一进展也推动了其他科学和技术领域的进展，拓宽了热电学的应用范围，促进了其在材料科学、物理、化学、生物医学、电子学、焊接、连接、封装和系统设计等领域的应用。

展望未来，解决优化热电材料的关键问题将是推动这一动态领域进一步创新的关键。然而，尽管设备商业化仍然是最终目标，但要实现热电技术的全部潜力仍面临诸多挑战。考虑到在大多数情况下相对较低的温差（ΔT），提高低品位发电和室温制冷的效率对于扩展这些材料的应用范围至关重要。因此，室温载流子-声子解耦需要更多关注。晶格平面化似乎提供了一种解决方案，尽管其有效性仍需在更多系统中进行验证，以最大化性能。p型SnSe晶体的室温ZT值约为1.5，已显示出在材料特性方面相较于商业化（Bi, Sb）₂Te₃的优势，为低成本、轻量和丰富元素的制冷提供了有希望的替代方案。然而，高性能可能伴随着机械强度差和复杂加工的问题，尤其是在SnSe类层状或晶体热电材料中。尽管单晶生长面临显著挑战，包括机械性能差、高时间和经济成本以及严格的生长条件，但低成本的自下而上的化学方法在合成具有可控微观结构和良好热电性能的多晶SnSe方面显示出潜力。然而，多晶SnSe仍然面临低到中温性能不足的挑战，严重限制了其潜在应用。了解这些权衡对于确定其应用范围的广泛程度至关重要。

SnSe在高温热电性能方面的表现令人印象深刻，使得开发能够在高温下运行的稳定发电机变得具有吸引力。通过进一步控制电子结构以及保持高温下的最佳载流子浓度，可能期望达到高达4的峰值ZT值。关注高温Cmcm相的传输特性将会是一个有趣的研究方向。然而，高温相变可能导致器件内部出现裂纹和失效。适当的成分设计以调整相变温度，以及设计器件的内部结构，以确保SnSe材料在单相温度范围内运行，将是关键考虑因素。热膨胀、机械脆弱性以及在高温下的热稳定性和化学稳定性都是需要解决的重要问题，这也意味着需要对SnSe基材料和器件的相结构工程、机械性能改善以及保护涂层或真空封装技术进行更多研究。

界面结构是影响器件稳定性和转换效率的另一个关键方面。工程化稳定的低电阻接触，以承受高温而不降解，对于优化器件效率和服务稳定性至关重要。关于相图的理论计算可能对快速设计年轻候选热电材料（如SnSe）的界面有效，而最近开发的技术，如纳米银烧结、激光涂层、扩散焊接和弧焊，为器件中高剪切强度和高稳定性的连接提供了潜在解决方案。

考虑到热电技术的应用有限且效率不佳，利用高可靠性、快速响应和可定制尺寸等特性扩展应用范围至关重要。探索热电材料在可穿戴、集成和微型化电子产品等用例中的应用可能会取得积极成果。基于SnSe和其他热电材料开发多维度的高效器件可能会提供意想不到的效率。SnSe也在二维异质结构和拓扑绝缘体等领域获得了认可并引起了兴趣。这些新兴领域中SnSe的发展可能为利用其热电特性提供更多途径，并为跨学科研究打开不同的领域。热电材料在过去十年经历了一场新的革命，现在是时候创造性地思考它们的应用。

文献信息：

Bingchao Qin et al. ,The development and impact of tin selenide on thermoelectrics.Science386,eadp2444(2024).DOI:10.1126/science.adp2444

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