主要观点总结
本文介绍了热电转换技术的原理以及其在能源利用和环境控制领域的应用潜力。重点介绍了热电材料的研究现状，包括其物理性质、物理机制和实验技术等。总结了文章的主要观点和结论，指出了研究的挑战和未来发展方向。
关键观点总结
关键观点1: 热电转换技术的原理和应用
热电转换技术能够将废热直接转化为电能，展现了在能源利用和环境控制领域的巨大潜力。该技术基于材料内部自由移动载流子的导电性和导热性，通过温度梯度产生电流。
关键观点2: 热电材料的研究现状
热电材料的研究涉及到其物理性质、物理机制和实验技术等方面。这些材料的内部精细结构是实验研究的重要挑战，中子散射技术成为研究凝聚态物质不可或缺的工具之一。
关键观点3: 中子散射技术在热电研究中的应用
中子散射技术能够观测原子级尺度的现象，提供较高的元素分辨和能量分辨精度。该技术有助于全面解析材料的晶体结构及晶格动力学，深入理解热电材料背后的物理机制。
关键观点4: 热电材料的物理机制和性能优化
热电材料的性能优化需要了解其内部的声子-声子相互作用、电子-声子相互作用等物理机制。通过引入更多的自由度（如电子轨道和自旋等）来多方位地调控热电性能是未来的研究方向。
关键观点5: 文章的总结和展望
文章总结了热电材料的研究进展和成果，指出了未来研究的挑战和发展方向。包括引入更多的自由度来调控热电性能，拓宽相关领域的研究广度等。
正文
热电转换技术能够将废热直接转化为电能，高效可靠的热电材料有助于提高能源利用率。尽管现今热电材料的电学性能可以进行诸多人工调控，但其热学性能往往受限于材料本身的固有特性。因此，寻找低热导材料并探索可人工调控的方法成为当今研究重点。为此，我们回顾了一系列高性能热电材料，深入分析其卓越热电转换性能背后的物理机制。希望这可以为高性能热电材料的设计提供了新的思路和发展方向。
声子作为科研工作者最早接触的准粒子之一，其诱发的奇异物性及相关调控一直是凝聚态物理领域的研究重点。20世纪50年代以来热电转换基础理论的建立和逐步完善不仅让热电材料的研究引起了科研及工业界的极大兴趣，也为精细化研究和利用声子提供了新的契机。热电效应起源于材料内部自由移动载流子的导电性和导热性。当材料的一端被加热而另一端保持较冷时，这种温度梯度会促使载流子从热端向冷端迁移，在传导热量的同时产生电流。相反地，如果在材料两端施加电压，载流子将在电场作用下定向移动，同时带走热量，这一过程可用于实现制冷效果。因此，热电材料不仅能够将废热直接转化为电能，还能够在没有活动部件的情况下提供冷却解决方案，展现出了其在能源利用和环境控制领域中的巨大潜力。
作为凝聚态物质体系，热电材料的物理性质和现象本质建立于原子理论的基础之上。其中首要的问题是明确这些材料的内部精细结构，这对实验研究构成了巨大挑战。中子因其
电中性和低能量
等內禀特性再结合现代散射方法和技术的发展，已成为研究凝聚态物质不可或缺的工具之一。
中子散射技术
赋予研究人员在
原子级尺度上观测
的能力，并能提供更高的元素分辨和能量分辨精度。这些优势使得研究人员能够全面解析材料的晶体结构及晶格动力学，从而深入理解其背后物理机制为优化热电材料性能提供了坚实的基础。
具有简单二元组成和
高对称岩盐型立方结构
体系(PbTe, SnTe等)由于较高的晶格对称性和能带简并度，不仅展现出卓越的电学性能，还具有对于提升热电性能至关重要的
较低热导率
。虽然这些二元材料早期因铁电相变而引起了广泛的研究兴趣，但是受限于当时实验技术的精度与准确性，只能进行定性的分析。最近，研究人员借助中子散射技术直接观测到了原子的局域结构和动力学行为，发现了其内部强烈的
声子-声子相互作用
(即“瀑布效应”)以及
声子色散嵌套
行为。以此为基础，岩盐型结构衍生出了一系列具备低热导的高性能热电材料，并由此发现了许多新颖的原子振动行为：沿着晶体学方向上的拉伸畸变让GeTe材料很容易随着温度升高发生相变，揭示了其内部新奇的
软模相变机制
；AgSbTe
2
材料通过在阳离子位点引入两种元素，促进了
纳米畴
的自发形成；半赫斯勒化合物通过将阳离子插入岩盐结构的间隙位置引发了
电子-声子相互作用
；SnSe材料通过减弱层间相互作用降低了晶格对称性，引发强
孤对电子效应
以及强烈的共振键极大地抑制了热输运；Ag8SnSe
6
通过引入更多游离性更强的重原子，减少了
主体晶格框架与客体原子
之间的耦合，极大地破坏了晶格振动；更加复杂的晶体结构会引入更多的空位， Zintl化合物中的空位在松弛晶体结构，扰动晶格振动方面扮演了主要的角色。本文的总结能进一步深化大家对晶格及其动力学的理解，推动热输运管理朝着创新突破和整体解决方向发展。
具有极端热导率的材料在许多领域至关重要，如光电器件热管理、热交换、热绝缘体和能源转换等。经过数十年的发展，对于热输运的研究已经取得了令人瞩目的成就。从宏观表征到微观解析，从物理机制到多学科融合，科学家们不断突破材料热输运极限并揭示了热输运的奥秘。未来，可以在热电材料中引入更多的自由度（例如电子轨道和自旋等）来多方位地调控热电性能。借助热电领域关于晶格振动的研究，其他领域（如超导材料、拓扑材料和磁性材料）同样可以从中受到启发，从而拓宽相关领域的研究广度，为人类探索物质世界开辟新道路。
原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-energy.2024.100049
本文内容来自
The Innovation
姊妹刊
The
Innovation Energy
第1卷第4期发表的 Review 文章“Revealing the phonon properties for thermoelectric materials by neutron scattering” (投稿: 2024-09-21；接收: 2024-10-25；在线刊出: 2024-11-01)。
DOI：https://doi.org/10.1016/j.xinn.2020.100049
引用格式：Zhu J., Shen X., and Ma J. (2024). Revealing the phonon properties for thermoelectric materials by neutron scattering. The Innovation Energy 1(4): 100049.
马 杰
上海交通大学物理与天文学院教授，博士生导师。2003年于中国科学技术大学材料科学与工程系获得理学学士学位；2010年于美国衣阿华州立大学天文与物理系获得凝聚态物理学博士学位；2010年至2015年在美国橡树岭国家实验室中子散射中心和田纳西大学天文与物理系开展博士后研究；2015年加入上海交通大学物理与天文系。长期从事凝聚态物理前沿实验研究方面的工作，尤其是运用中子散射及同步辐射X光技术对强关联体系功能材料的晶体结构、声子谱和磁子谱进行研究，探讨材料中电子、磁子、声子和轨道等相互作用及其导致的诸如电荷有序、轨道晶格耦合、自旋晶格相互作用等新奇量子效应和物理现象，以及这些效应对功能材料中各种性能的影响。已在Science, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Physical Review Letters, Journal of the American Chemical Society 等国际主流杂志上发表论文120篇，引用8000余次，专利1项。
朱金峰
上海交通大学物理与天文学院博士生。从事凝聚态物理前沿实验研究方面的工作，运用中子散射及同步辐射X光技术对强关联体系功能材料的晶体结构、声子谱进行研究，探讨材料中电子、声子等相互作用及其导致的诸如结构相变、超离子相变等新奇物理现象，以及这些效应对功能材料各种性能的影响。
The Innovation
是一本由青年科学家与
Cell Press
于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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