热电技术通过材料内部的载流子定向输运，实现了热能与电能之间的直接和可逆转换，是一种重要的绿色能源转换技术，在温差发电和热电制冷领域展现出广阔的前景。特别是在深空深海探测供能和精密装备精准控温等高精尖领域，热电器件逐渐发挥着越来越重要的作用。
热电器件的发电及制冷效率主要由材料的无量纲热电性能优值（ZT值）决定。由ZT值的定义ZT = (S2σ/κ)T 可知，在给定温度T下，高性能热电材料应具有大的温差电动势S（产生大的电压）、高的电导率σ（减小焦耳热损耗）和低的热导率κ（产生大的温差）。然而各个物理参数之间的复杂联系形成了紧密的声子-电子耦合关系，使得热电材料的性能优化极其具有挑战性，调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和器件效率的关键。
近年来，新型热电材料层出不穷，但碲化铋（Bi2Te3）及其合金仍为目前发展最成熟且唯一实现商用化的热电材料。在这一材料系统中，P型(Bi,Sb)2Te3 (BST)材料的发展已经非常成熟，室温ZT值可稳定达到1.0以上。相较之下，对于N型Bi2(Te,Se)3 (BTS)材料的性能优化相对滞后。目前市场上广泛使用的商用N型BTS材料多是通过区熔法生长的铸锭，这种工艺在后续加工热电器件时，存在热电粒子易沿晶面分离的问题，这不仅增加了生产成本，还对器件的整体性能产生了不利影响。因此，提升N型BTS材料的热电性能和机械加工性能显得尤为重要。
《国家科学评论》（National Science Review ）近期发表的一项研究采用晶格素化和能带结构调控相结合的优化策略，在商用N型BTS材料中引入痕量Cu原子，有效地调控了晶体内部的本征缺陷，实现了对导带结构的微调，显著提升了载流子迁移率μ。
具体来说，Cu进入晶格后会占据本征Bi空位，从而减弱点缺陷对载流子的散射。与此同时，Cu占据Bi位点还可以调控能带结构，促进导带锐化和退简并，从而减少有效质量m*，进一步提高μ。此外，位于范德华间隙和（-Te-Bi-Te-Bi-Te-）层内的间隙Cu原子，也会与邻近Te原子键合，形成额外的载流子传输通道，进一步提高μ。通过痕量Cu原子的协同优化，BTS+0.2%Cu样品在300 K时达到了 ~285 cm² V-¹ s-¹的载流子迁移率和 ~60 μW cm-¹ K-²的高功率因子。最终，室温ZT值接近1.3，在300-523 K温度范围内的平均ZTave达到了 ~1.2。此外，Cu-Te键的形成还显著提升了BTS+0.2%Cu晶棒的机械加工性能，为其在实际大批量生产中提供了极大的便利性。基于优化后的BTS+0.2%Cu晶棒与商用P型BST材料制备的全尺寸热电器件，在 ~223 K温差下实现了 ~6.4%的发电效率及室温下 ~70.1 K的最大制冷温差。
图 （a）引入痕量Cu实现晶格素化和能带结构调控策略优化的示意图。优化后热电器件与传统商用器件的（b）最大制冷温差与（c）发电效率对比。
该工作对痕量Cu原子在调节商用N型BTS热电性能和机械加工性能过程中的原子占位和作用进行了详实的研究，这将有助于推动Bi₂Te₃基商用热电器件在发电和制冷方面的大规模应用。
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