2024年10月18日，基于对硒化锡（SnSe）热电材料及器件的10余年研究经验，北航材料学院赵立东教授团队系统阐述了寻找高效热电材料的思路，分析了这些研究策略对于热电科学研究的影响和促进作用，并展望了基于热电科学的热电-光电学、热电催化学、热电磁学、生物热电学等多个新兴交叉领域，该成果在国际顶级学术期刊《Science》上发表了题为《The Development and Impact of Tin Selenide on Thermoelectrics》的学术论文【Science 386 (2024) eadp2444.】。
第一作者：秦炳超（博士后）
通讯作者：赵立东
通讯单位：北航材料科学与工程学院/天目山实验室
电传输和热传输决定了材料的基本物理特性，二者之间的不同组合可提供多样化的材料应用前景，如图1所示。其中，高导电而热绝缘的热电材料，能够通过塞贝克效应和帕尔帖效应分别实现温差发电和电子制冷。在当前能源重大战略需求的背景下，热电技术以其高可靠性、无噪音、结构灵活、环境友好等优势，在废热回收、5G通信、激光制冷等关键领域都有着广阔的应用前景。然而，热电器件低的转换效率限制了其广泛应用。要实现更高的能源转换效率，需要有效解耦热传输-电传输之间的矛盾。
图1 研究背景：热传输和电传输决定了材料的基本物理特性和潜在应用。其中，理想的热电材料需要具备优异的导电性和较低的导热性，以保证高效的热电转换。
本文以材料最基本的物理性能出发，深入剖析了实现高效热电性能需要具备的关键物理特征。其中，复杂的电子能带结构有助于实现高的电传输，而大的晶胞和复杂晶体结构等特征可实现低的热传输。近年来，一系列高性能的热电材料得以发展，如图2所示。硒化锡（SnSe）是其中的典型代表。经过10余年的持续努力，SnSe的宽温域热电性能得到稳步提升，基于SnSe的热电器件在温差发电和电子制冷两方面皆展现出优异的转换效率。这些研究为热电技术提供了一种宽温域、低成本、储量丰富的新型备选材料，同时也为寻找其他具有类似特征的热电材料提供了重要参考。
图2 研究进展：高效热电材料及其性能。
论文首先阐述了开发SnSe高效热电性能的研究思路。在21世纪初，热电领域并不认为SnSe是一种潜在的热电材料，这主要源于其较宽的能带间隙（~ 0.86 eV），难以实现高载流子浓度。直至2014年，通过制备高质量的SnSe晶体使其承温能力从多晶的723 K提高到923 K，并在高温区发现了其潜在的热电特性，研究人员开始重新审视这一材料。SnSe晶体面内方向高的载流子迁移率弥补了低载流子浓度的不足，结合强非谐振性带来的低热导率，最终在高温下实现了>2.6的ZT值（Nature 508 (2014) 373）。随后，论文讨论了SnSe热电材料的重要进展和优化策略，主要包括调控费米能级诱导多价带协同参与电传输（Science 351 (2016) 141）、三维电荷-二维声子传输特性（Science 360 (2018) 778）、多能带交互作用（Science 365 (2019) 1418）及其在动量和能量空间的Synglisis协同效应（Science 373 (2021) 556）、还原本征低热导特性（Nat. Mater. 20 (2021) 1378）、调控形变势促进电-声解耦（Science 375 (2022) 1385）、晶格素化（Science 380 (2023) 841）等。在这些讨论中，论文还论述了如何将这些策略用于更多热电体系，包括普适性更强的寻找本征低热导材料、理解和调控复杂电子能带结构以提升电传输性能、研究层外方向传输特性的重要性，以及从纳米尺度到原子尺度的微观结构控制等。
在优化材料性能的基础上，论文提出开发高效热电转换器件是推动应用的关键。尽管在N型材料面内性能开发以及器件界面阻挡层研究等方面仍存在明显不足，基于SnSe材料的三维热电器件在温差发电和热电制冷均展现出了重要的发展潜力。随着材料制备工艺和处理手段的不断进步，如图3所示，基于SnSe材料的一维纤维织物和二维柔性热电器件研究也取得了重要进展，表明其在更多应用场景的重要潜力。对此，论文提出了重要展望，未来研究要以柔性无机/有机热电材料及器件优化为指引，将材料性能提升、器件界面设计与结构优化相结合，进而推动热电材料的大规模应用。
图3 研究进展：具有多维结构的热电器件。其中强调了基于多元相图计算的界面筛选设计对于提升器件转换效率的重要性。
论文指出，热电领域的研究可推广涵盖机器学习和智能计算、高通量材料设计和合成、器件设计和组装等，具备典型的跨学科交叉特征。SnSe 的研究激发了探索具有相似特性的高效热电材料，并促进了其他相关领域的合作研究。SnSe等高效热电材料的未来发展需要更多地关注器件设计和应用探索，提高材料性能及稳定性，也需要探索更多的应用场景来推动热电行业的发展。值得注意的是，SnSe在热电之外的诸多领域展现了良好的应用潜力。如图4所示，主要包括光电探测、太阳能电池、光催化、拓扑绝缘体、气体传感器、离子电池、柔性和忆阻器等，这凸显了以跨学科交叉理念开发多功能材料的重要性。
图4 研究展望：SnSe的跨领域应用前景。主要包括热电转换、光电探测、太阳能电池、光催化、拓扑绝缘体、气体传感器、离子电池、柔性和忆阻器等。（图来源：Mater. Lab 1 (2022) 220006）
最后，论文强调热电科学与其他技术的结合可能会为未来的材料科学和可再生能源技术提供变革性发展机遇。基于此，论文提出了前瞻性观点，着重展望了未来可以与热电技术开展交叉和深入研究的潜在领域，如图5所示，主要分为热电-光电学、热电催化学、热电磁学和生物热电学等。其中，热电-光电学通过将光能转化为热能、再转化为电能，在热电-光电探测、太阳能热电池、光-电转换系统设计等取得了重要进展；热电催化学利用热电效应驱动化学反应，能够实现多种运行模式，有望应用于绿色制氢、有机物合成、环境净化等领域；热电磁学通过研究载流子、声子和自旋之间的相互作用，探索潜在的全新物理效应，有望实现热-电-磁全固态极低温制冷、磁热发电等新兴领域的开拓；生物热电学则将热电发电和制冷与生物医学不同场景的需求相结合，致力于实现基于热电技术的伤口加速愈合、即时冷冻治疗和健康监测等应用，拓宽热电技术的应用场景。
图5 研究展望：可人工智能驱动的基于热电科学的多个新兴交叉领域。潜在的交叉方向主要包括热电-光电学、热电催化学、热电磁学和生物热电学等。
本工作系统阐述了开发SnSe类高效热电材料的研究思路和关键策略，进而剖析了这些研究如何影响、促进、并伴随了热电技术的广泛发展。更为重要的是，论文不仅针对SnSe材料的未来研究进行展望，还高度前瞻性地提出了热电科学与其他方向交叉研究的可能性以及潜在的重要领域。通过该论文，希望热电领域受到更为广泛的关注，并在国家发展战略中发挥关键作用。
Science同期刊登的Research Highlights in Science Journals中，编辑团队以《Unexpected efficiency》为题，对本工作进行亮点报道。文中表示，热电技术近年来迅速发展的重要原因是源于SnSe基高效热电材料的发现，本工作对于开发新一代热电材料和器件至关重要。
北航材料学院博士后秦炳超为论文第一作者，赵立东教授和美国艺术与科学院院士、美国Northwestern大学Mercouri G. Kanatzidis教授为论文共同通讯作者。此项工作主要得到了国家杰出青年基金（51925101）、腾讯科学探索奖、国家自然科学基金（52450001）、北京市杰出青年基金（JQ18004）、111引智计划（B17002）、博士后创新人才计划（BX20230456）和中国博士后科学基金（2024M754057）等项目的资助。
作者简介
秦炳超：北航材料学院2013级本科、2017级硕士、2019级博士，2023年6月博士毕业后获国家博士后创新人才计划资助，现为北航卓越师资博士后。主要从事SnSe基热电材料的制备、性能优化和器件探索。作为（共同）第一/通讯作者已在《Science》（5篇）、《Nat. Commun.》、《J. Am. Chem. Soc.》、《科学通报》和《航空材料学报》等期刊发表60余篇创新成果，曾荣获2023年国际热电学会ITS Goldsmid Award（全球1人/每年）、2023年国际材料联盟前沿材料优秀研究生奖（每年全球约10人次）、国家奖学金（2次）、2021年宝钢优秀学生奖、2023年中国热电学会优秀研究生奖等数十余项荣誉奖励。以第二合著者出版中文专著一本《锡硫族层状宽带隙热电材料》（工信部“十四五”规划专著、国家出版基金和“十四五”国家重点出版物出版规划）。目前主持国家自然科学基金青年基金项目、博士后科学基金面上项目等。
本文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2444
赵立东教授课题组重要研究进展链接：
2016年: https://www.science.org/doi/10.1126/science.aad3749
2018年: https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaq1479
2019年: https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax5123
2020年: https://www.science.org/doi/10.1126/science.aaz9426
2021年: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8668
2022年：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8997
2022年：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9645
2023年: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7196
2024年: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9589
2024年:
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07724-2
课题组网站链接: http://shi.buaa.edu.cn/zhaolidong/zh_CN/index.htm
