熱電材料的載流子濃度是其電-熱轉換效率的決定性因素之一。然而，熱電材料的最佳載流子濃度并不是一個定值，而是隨溫度而變化。因此，傳統的摻雜方式并不能實現熱電材料在全工作溫區內的載流子濃度優化。

近年來的研究表明，含有“動態原子”的化合物往往表現出奇異的電熱輸運性能，比如具有類液態Cu子晶格的Cu2Se化合物，以及具有金屬-絕緣體轉變的VO2化合物等。熱電（溫差電）性能由電、熱輸運性能共同決定，因此是研究“動態原子”作用的理想體系。并且在理解“動態原子”作用機理的前提下，有望利用其對熱電性能進行寬溫域優化。

動態原子行為示意圖：（a）低溫下體系由PbSe基體及富Cu第二相構成；（b）隨溫度升高Cu原子逐漸進入晶格間隙形成動態n型摻雜；（c）高溫下晶格間隙中的Cu劇烈振動，極大地降低了材料的熱導率。

最近上海大學材料學院駱軍教授課題小組利用“動態原子”對熱電化合物的電熱輸運性能進行了調控。他們首先設計并構建一個包含基體（PbSe）和第二相的相分離體系，并利用溫度升高過程中第二相的逐漸溶解在基體中引入了間隙原子，從而實現了在全溫區范圍內對載流子濃度的優化（見上圖）。

在該材料體系中，間隙Cu離子表現出“動態”特征，并且可以提供1個電子，實現對基體的n型摻雜。首先，在低溫下，富Cu第二相可視作原位摻雜源，隨著溫度升高，Cu在PbSe中的固溶度逐漸增大，Cu離子不斷從富Cu第二相動態進入到PbSe的晶格間隙，從而載流子濃度隨溫度升高而漸進式增加，實現了寬溫區的載流子濃度優化，因此功率因子顯著增大。其次，Cu的添加在材料中引入晶格缺陷，同時位于晶格間隙的Cu在高溫下劇烈振動導致低頻光學支聲子的出現，從而實現了多尺度聲子散射，因此晶格熱導率顯著降低。間隙Cu原子的動態摻雜效應和多尺度聲子散射的協同效應，使得Cu摻雜n型PbSe的熱電性能大幅度提高，最終得到了高達1.45的熱電優值。

該研究不僅深入揭示了動態摻雜對材料電熱輸運性能調控的微觀機理，同時還證明了“動態原子”可作為優化熱電材料性能的有效手段。該工作由上海大學駱軍教授、張繼業副研究員、楊炯教授和南方科技大學張文清教授等共同完成，上海大學為第一單位，材料學院博士生游理為第一作者，相關研究結果發表在Energy & Environmental Science2018,11, 1848-1858（影響因子30.067）。該工作得到國家自然科學基金重點項目、面上項目和上海市科委研發平臺專項等課題的資助。

論文鏈接：http://pubs.rsc.org/is/content/articlelanding/2018/ee/c8ee00418h#!divAbstract

來源：材料科學與工程