日前，昆明理工大学材料科学与工程学院金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心葛振华教授团队在硫化铜热电材料的多形态相调控方面取得重要研究进展，相关研究以《Pseudo-polymorphic Phase Engineering for improved Thermoelectric Performance in Copper Sulfides》为题，发表在材料科学领域顶级学术期刊Advanced Materials。昆明理工大学为第一作者单位，材料科学与工程学院博士研究生杨添驭为第一作者，葛振华教授、冯晶教授为通讯作者。

图1 硫化铜热电材料中的多形态相调控策略示意图

固体材料中的多态性在矿物学、晶体学、化学/生物化学、材料科学和制药领域中普遍存在。尽管多态性很难控制，但设计特定的多形态相和相关界面结构是压电铁电领域提升材料性能的有效途径。在该项工作中，将多形态相界的概念引入到硫化铜（Cu_2-xS）热电材料中，并提出了多形态相工程的概念。通过在Cu_1.8S中引入额外的Cu²⁺离子，在室温下获得了Cu_1.8S的高温立方相，并由于结构有序化得到了立方相超结构，由于Cu含量的升高还引入了Cu₂S的六方相，因此形成了立方相/立方相超结构/六方相的三相共存结构，并且由于晶体取向关系，这三种相结构的界面具有全共格结构，全共格相界具有弱的电子散射能力和强的声子散射能力，因此有利于电声解耦，提升热电性能。最终3wt.% CuBr₂ 掺杂的Cu_1.8S在773K时的峰值ZT达到了1.25，为原始Cu_1.8S样品的2.3倍。该项工作利用原子级分辨率扫描透射电子显微镜证实了原始Cu_1.8S低温相向准多形态相工程构建的高温相转变过程，同时观察到不同准多形态相之间的（半）共格界面的形成，变温原位透射电镜表征表明这种成分调制的相变具有温度可逆性。该项工作证实了准多形态相工程是铜硫基热电材料提升热电性能的有效方法，并且该优化策略同样有望应用于其他相变材料。

图2 硫化铜热电材料中的多形态相结构的透射电镜表征图

德国于利希电镜研究中心金磊研究员、华南理工大学郑风珊教授、陕西师范大学吴笛教授对该研究作出了重要贡献。本课题得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、云南省应用基础研究计划重点项目、杰出青年基金项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308353