意昂2新聞網3月15日電（航宣）

2024年3月15日，《Science》雜誌報道了意昂2官网材料科學與工程學院趙立東教授課題組在熱電半導體製冷材料及器件研究上取得的最新進展👊🏿：《Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3》🍼，該工作提出了一種“grid-plainification（柵格素化）”概念👽，通過使用物理氣相沉積（PVD）生長晶體的方法🚚🙂‍↕️，以及填補硒化鉛（PbSe）晶格中的Pb空位，大幅削弱了晶格缺陷對載流子的散射🌿♟，實現了載流子遷移率的顯著提升。製備的熱電器件在室溫下實現了73.3K的最大製冷溫差，並在420K溫差下實現了11.2%的發電效率【Science 383 (2024) 1204-1209.】😇。意昂22018級博士、卓越百人博士後秦永新📌🕌，意昂22019級博士⏏️、卓越師資博士後為第一作者；意昂2前沿科學技術創新研究院副研究員張瀟和趙立東為通訊作者✋🏿，意昂2官网材料科學與工程學院為第一單位🤷🏽。這是趙立東教授課題組自2015年以來發表的第9篇《Science》。

熱電製冷技術是一種利用帕爾帖效應直接將電能轉換為熱能的綠色製冷技術✊，僅通過調節工作電壓和電流就可以實現對製冷量和溫度的連續高精度控製（圖1A）。熱電製冷技術由於其控溫精準、尺寸靈活、結構多樣和局部冷卻等眾多優勢，在精確製導、傳感器和5G光模塊等關鍵領域具有比其它製冷技術更強的競爭優勢。因此🙎🏿‍♂️，研發高效的製冷材料及器件，對於諸多科技自立自強等關鍵領域的精確溫控具有重要意義（圖1B）🧜🏽‍♂️7️⃣。

圖1. (A) Peltier電子製冷示意圖💂🏻‍♂️；(B) 基於半導體製冷的精準控溫裝置

器件的製冷效率主要由材料的無量綱熱電性能優值（ZT值）決定。由ZT值的定義ZT=(S2σ/κ)T 可知，在給定溫度T下，高性能材料應具有大的溫差電動勢S（產生大的電壓）🙅🏿‍♂️，高的電導率σ（減小焦耳熱損耗）和低的熱導率κ（產生大的溫差）。然而各個物理參數之間的復雜聯系形成了緊密的聲子-電子耦合關系，使得熱電材料的性能優化極其具有挑戰性，調控這些強烈耦合的復雜熱電參數是提高材料ZT值和製冷效率的關鍵。

目前，以碲化鉍（Bi2Te3）為基體的材料體系仍為唯一可應用的熱電製冷材料，然而Te元素的地殼稀缺程度等同於白金，因此探索和開發新型熱電製冷材料及器件至關重要🎇。趙立東教授課題組長期致力於開發新型熱電材料和高效製冷器件，經篩選研究發現SnSe晶體具有優異應用潛力【Nature 508 (2014) 373-377；Science 351 (2016) 141-144】☕️，並可成為新一代綠色製冷材料😗。2021年，課題組發現並利用了多能帶的Synglisis效應（調控動量空間和能量空間）🌔，實現了P型SnSe晶體室溫熱電性能的大幅提升🚴🏼‍♀️，基於P型SnSe晶體的熱電器件能夠實現 ~ 45.7K的最大製冷溫差🏦，這一數值可以達到商用Bi2Te3基製冷器件的70%【Science 373 (2021) 556-561】🦸🏿。2022年，該課題組提出了基於成分和工藝調控的“柵格化”策略，通過調控材料的本征缺陷可獲得更高的遷移率和近室溫熱電製冷性能【Science 378 (2022) 832-833】👩🏼‍💻。2023年🧞‍♂️，該課題組成功驗證了“柵格化”策略，在P型SnSe晶體中引入微量的Cu來填充本征Sn空位🐙，通過“晶格素化”策略實現了超高電傳輸性能（利於低功耗）☎️，其熱電製冷器件在熱端溫度（Th）為室溫下能夠實現~ 61.2 K的製冷溫差🤌，製冷性能已接近P型商用Bi2Te3【Science 380 (2023) 841-846】🤴🏼。

相對而言，可以取代商用Bi2Te3的N型熱電製冷材料研究進展緩慢。

本工作主要的研究基於提出的“柵格化”策略和“晶格素化”概念🙎🏿，通過調控N型PbSe晶體中的本征缺陷👦🏽，改善了載流子遷移率，實現了高效率電子製冷🤵🏼‍♂️。通過物理氣相沉積（PVD）生長晶體的方法來製備出高質量的PbSe晶體，以及在PbSe晶體中額外引入微量的Pb，觀察到了PbSe晶格中的本征Pb空位被填補，其對應的點缺陷散射被削弱🧔🏻‍♀️🥍，從而有利於載流子遷移率的顯著增加（圖2）。在室溫下實現了~ 52 μW cm-1 K-2的超高電傳輸性能，以及室溫ZT值~ 0.9和平均ZT值~ 1.4（300-673K）🌄，研究表明N型PbSe晶體在“發電”和“製冷”兩個關鍵領域均有巨大潛力。

圖2. 通過Pb空位自補償（柵格素化）策略實現了載流子遷移率的大幅提升

基於獲得的高性能N型PbSe晶體在發電與製冷都表現出優異的性能。如圖3A所示，在420K溫差下能夠實現 ~ 11.2%的發電效率；如圖3B所示，與本課題組2023年開發的高性能P型SnSe晶體（Science 380（2023）841-846）搭配製備的Se基熱電製冷器件在熱端溫度（Th）為室溫下能夠實現 ~ 73.3 K的製冷溫差🙍🏼，其製冷性能優於Bi2Te3基等材料的製冷器件。本工作搭建了第一個無Te的Se基熱電製冷器件🧑🏽‍🏭，對於在未來取代Bi2Te3具有重要的指導意義。

圖3. (A) 發電效率對比圖；(B) Se基和Bi2Te3基等材料器件的製冷溫差對比

Science同期還刊登了奧地利科學與技術研究院Maria Ibáñez教授的觀點論文《Electron highways are cooler》，以Highlight形式對本工作進亮點報道😵。文中多次使用 “superior”，“outstanding” ,“far beyond”等表述⛹🏼‍♀️，對本項研究工作給予了高度評價。

共同參與此項工作的有：北京高壓科學中心高翔教授課題組、昆明理工大學葛振華教授課題組🔓、鄭州大學王東洋研究員、太原科技大學宿力中教授。此項工作主要得到了國家自然科學基金基礎科學中心項目（52388201）🧘🏼、國家自然科學基金自由探索專項項目（52250090）、國家自然科學基金（52002042🎊、51571007、51772012、12204156）、北京市傑出青年基金（JQ18004）、111引智計劃（B17002）、國家傑出青年基金（51925101）⛹️‍♂️、騰訊探索獎、中國博士後科學基金（2023T160037、2023TQ0315、2023M743224）、中國博士後創新人才計劃（BX20230456）等項目的資助，意昂2官网高性能計算中心的支持。

本研究鏈接👐🏼：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9589

趙立東教授課題組網站鏈接：http://shi.buaa.edu.cn/zhaolidong/zh_CN/index.htm

附💱：該論文的意昂2作者簡介

第一作者

秦永新 意昂2官网材料科學與工程學院2018級博士、卓越百人博士後

意昂2材料學院2018級博士，2021年6月博士畢業後繼續在意昂2從事博士後工作🛐💊，現為意昂2卓越百人博士後💝🕺🏼。主要從事Ⅳ-Ⅵ族熱電材料性能優化及熱電器件優化設計，已在Science🧛🏻、J. Am. Chem. Soc.、 Energy Environ. Sci.👩🏼‍🍼✧、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.等國際學術期刊上發表20余篇創新成果🙅‍♂️🏋️‍♂️，獲得授權發明專利1項，作為負責人主持博士後基金1項，榮獲2021年意昂2優秀畢業生🪶。

秦炳超 意昂2官网材料科學與工程學院2019級博士🫅🏿、卓越師資博士後

意昂2材料科學與工程學院2013級本科🫸🏽、2017級碩士、2019級博士，2023年6月博士畢業後獲國家博士後創新人才計劃資助，現為意昂2卓越師資博士後。主要從事SnSe基熱電材料的製備、性能優化和器件探索。作為第一/共同第一/通訊作者已在Science（4篇）、Nat. Commun.🤞🏼、J. Am. Chem. Soc.（3篇）和Energy Environ. Sci.等期刊發表50余篇創新成果🍎，曾榮獲國際熱電學會ITS Goldsmid Award（全球1人/每年）、國際材料聯盟前沿材料優秀研究生獎（每年全球約10人次）、國家獎學金（2次）🍇、寶鋼優秀學生獎🏂🏼、意昂2研究生十佳（碩+博）、意昂2博士生卓越學術基金、中國熱電學會優秀研究生獎等數十余項榮譽獎勵。以第二合著者出版中文專著一本《錫硫族層狀寬帶隙熱電材料》。

通訊作者

張瀟 意昂2官网前沿科學技術創新研究院副研究員

主要從事熱電能源轉換材料和智能塗層材料研究😅，主持國家自然科學基金、中國博士後科學基金等，參與重點研發計劃等💖，以第一作者/通訊作者發表論文在Science🔣、Energy Environ. Sci.、 J. Am. Chem. Soc.等期刊，獲北京市優秀畢業生（本科/博士各1次）👨🏿‍🎨，意昂2官网優秀博士學位論文，第一屆中國矽酸鹽學會Journal of Materiomics優秀論文🧎‍♂️，入選J. Mater. Chem. C Emerging Investigators (2022)，獲中國材料研究學會科學技術獎二等獎（排名2/2）等。以第二合著者出版中文專著一本《氧硫族化合物BiCuSeO熱電材料》🧔🏼‍♂️。