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鄭毅研究員的最新研究成果在Nature Communications發表

編輯:phyzc 時間:2018年01月10日 訪問次數:1565

  熱電材料可以利用賽貝克(Seebeck)效應收集廢熱發電,以及利用帕爾帖(Peltier)效應實現高效率的電能制冷,是一種潛在的綠色能源材料。當前熱電材料應用的主要瓶頸是其品質因子(thermoelectric figureofmerit)ZT很難突破1。最近的研究發現,硒化錫(SnSe)單晶在923K時ZT達到了創紀錄的2.6。錫和硒元素在地球上含量豐富,其化合物的合成非常簡便,因而SnSe被預期有非常廣闊的應用前景。然而,SnSe單晶的空穴自摻雜和高ZT的來源至今沒有定論。
  物理學系鄭毅研究員課題組和上海微系統所沈大偉研究員團隊合作,利用極低溫量子輸運測量和超高分辨角分辨光電子能譜兩種互補技術首次揭示了SnSe的多谷能帶輸運,并成功利用“缺陷工程”實現了對該材料電子結構和熱電性能的有效調控,為進一步利用能帶工程合成和改進高效能熱電材料提供了必要依據。相關論文“Defects controlled hole doping and multivalley transport in SnSe single crystals”發表于《Nature Communications》[9, 47 (2018)]。
  該研究發現SnSe熱電輸運由其獨特的“多谷峰型 (multivalley)”能帶與類似石墨烯的線性色散(圖1所示)所決定。前者可以極大增強材料的賽貝克(Seeback)系數,后者會導致材料中的電子有效質量減小進而有效增強材料的電導率,而兩者的共同作用使得SnSe材料的熱電ZT得到了極大增強。在此基礎上,該研究提出了可以從微觀機理角度理解與尋找高熱電ZT材料的“布丁(pudding-mould)”模型,這也是人們首次可以從電子結構的角度理解SnSe中非同尋常的熱電物性。研究還通過人為引入可控的SnSe2雜相態和點位錯,實現了在保持SnSe原有基本物性基礎上對其空穴載流子濃度的有效調控,為將來利用“缺陷工程 (defect engineering)”這一成熟有效手段合成和改進高效能熱電材料開辟了新的理論方向和技術基礎。
  物理學系研究生王震、沈智旋和中科院上海微系統所博士研究生樊聰聰為論文共同第一作者,物理學系鄭毅研究員和上海微系統所沈大偉研究員為論文的共同通訊作者。該工作獲得了科技部重點研發項目(2016YFA0300204,2017YFA0303002),青年千人啟動基金等項目的支持。

  論文鏈接:

  


圖1 SnSe單晶的“多谷峰型 (multivalley)”能帶:其低能電子結構為典型的“布丁(pudding-mould)”形狀,并具有類似石墨烯的線性色散關系。量子輸運揭示“多谷”能帶和空穴自摻雜的缺陷物理起源。