近日，昆明理工大学材料科学与工程学院葛振华教授与北京航空航天大学赵立东教授，郑州大学王东阳研究员等合作，在单晶SnSe的卓越热电转换性能方面取得重要研究进展，研究以Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics为题，发表在国际顶级刊物Science上。昆明理工大学材料科学与工程学院为合作单位，博士生王子渊，杨添驭参与了SnSe热电器件的制作并负责器件转化效率表征工作。

热电材料能够实现废热与电能的直接相互转化，有利于回收废热中的能量实现能源的再利用。简单化合物SnSe是最有前途的热电候选材料之一，由于其复杂的电子能带结构和独特的3D-电荷/2D-声子输运特性，该体系材料不断展现出他在热电应用中的潜力。

本研究受结构材料中的“材料素化”概念的启发，提出了“晶格素化”的策略，用以改善载流子的输运特性，实现非凡的载流子迁移率意味着更高的导电性，从而在一定程度上有助于降低功耗，这对热电冷却装置的实际应用至关重要。

研究者采用改进的两步布里奇曼方法制备了一系列SnCu_xSe晶体，并研究了Cu对SnSe晶体电输运性能的影响。首先，微小的Cu填充Sn空位使晶格平坦，降低缺陷浓度，从而减少晶格缺陷的载流子散射，并在300 K时产生优异的载流子迁移率(~319 cm² V^-1 s^-1)。其次，多余的Cu取代晶格中的Sn，形成空穴掺杂，增加载流子浓度n，使费米能级进一步下降到价带，促进了多价带输运。此外，Cu/Sn原子取代对电子能带结构有明显的影响，促进了多能带合成。这些有利效应共同促进了有效质量m*增加到~ 1.7 m_e，从而在更高的n下实现相对较大的塞贝克系数。通过电导率和塞贝克系数的协同优化，功率因数超过~100 μW cm^-1 K^-2，在300 K时ZT为~1.5，在300 - 773 K时平均ZT为~2.2。研究者进一步实现了在温差∆T~ 300 K的条件下单臂热电器件的转换效率达到12.2%，以及在环境温度下通过7对Peltier制冷器件制冷产生最大温差∆T_max~ 61.2 K。该研究结果对SnSe晶体在发电和电子冷却方面的实际应用具有重要意义。

云南省是有色金属王国，锡资源丰富，利用广泛。葛振华教授团队长期从事SnSe基新型热电材料的基础研究和应用基础研究，先后在Science, Nature Comm, JACS, Adv. Funct. Mater.等期刊发表多篇高水平论文，对SnSe热电性能增强机理的深刻理解，将为SnSe热电材料的产业化和器件化奠定基础，并为云南省锡资源精深利用提供新助力。

论文链接地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7196

图1：通过“晶格素化”策略实现卓越热电转换效率与制冷性能