2023年5月26日，Science官方以“Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics”為題刊發了北京航空航天大學趙立東教授團隊關于熱電技術領域的最新進展。
值得注意是，這也是趙立東教授2016年以來以北航為通訊單位發表的第8篇science！
據悉，趙立東教授2001和2005年先后獲得遼寧工程技術大學學士和碩士學位，2009年獲得北京科技大學材料學博士學位。2009-2011年，法國巴黎十一大學 (Université Paris-Sud) 奧賽分子化學與材料學院（Institute for Molecular Chemistry and Materials in Orsay）博士后。
2011-2014年，美國西北大學 (Northwestern University) 化學系博士后。2014年入職北航，2018年入選長江學者特聘教授，2019年獲得國家自然科學基金杰出青年基金資助。研究方向為層狀結構熱電能源轉換材料、二維超導材料、低熱導氧化物材料。已在Nature和Science等期刊上發表重要論文270余篇，被引用3萬余次，H因子80。
實際上，熱電技術已廣泛應用于余熱回收和固態冷卻等關鍵領域，北京航空航天大學趙立東教授和秦炳超等人發現了具有潛在發電量和帕爾貼（Peltier）冷卻性能的硒化錫（SnSe）晶體。
研究發現，廣泛的非化學計量缺陷對SnSe的輸運性質有較大的影響，從而促使作者開發了一種缺陷工程的晶格純化策略。
具體來說，作者證明了銅可以填補Sn空位，以削弱缺陷散射并提高載流子遷移率，促進功率因數超過每平方開爾文~100微瓦/厘米，在300開爾文時無量綱品質因數（ZT）為1.5，300到773開爾文時平均ZT為2.2。
同時，作者進一步實現了在~300開爾文的溫差（ΔT）下12.2%的單腿效率，以及室溫下61.2開爾文的7對帕爾貼冷卻。因此，本文的觀察結果對于SnSe晶體在發電和電子冷卻中的實際應用極其關鍵。
相關文章以“Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics”為題發表在Science。
余熱回收、發電和電子制冷等領域在熱電技術領域具有巨大的應用潛力，可以實現熱電之間的直接轉換。其中，熱電技術的轉換效率由熱電材料的無量綱品質因數（ZT）決定，在工作溫度范圍內需要一個優異的平均ZT才能實現高轉換效率。在此，研究者已經設計出
很多提高熱電性能的方法，包括優化載流子濃度、電子帶結構的調控、全尺度微結構工程，以及電子和聲子輸運的解耦。
實際上，簡單化合物SnSe由于其較強的鍵非諧性，是最有前途的導熱系數極低的熱電候選物之一。高性能的p型和n型SnSe晶體已經被發展起來，主要是由于其復雜的電子帶結構和三維（3D）電荷和2D聲子輸運特性，不斷揭示了其在熱電應用中的潛力。
此外，使用動量和能量多頻段合力策略，在~75 μW cm-1K-2的功率因數（PF）下提高了熱電性能，特別是在室溫附近，這為用于熱電發電和帕爾帖冷卻的SnSe晶體開辟了潛力。
為了確保熱電冷卻裝置的應用，通過制備SnSe晶體和修改晶體結構大大降低了缺陷濃度，提高了載流子遷移率。通過操縱外在缺陷，使用多頻段合力策略和結構調制，進一步提高了室溫熱電性能，但仍然不足以實際使用。
對于SnSe晶體熱電器件，在未摻雜和摻雜的SnSe晶體中都揭示了巨大的非化學計量缺陷，主要包括Sn空位。這些固有缺陷阻礙了載流子傳輸并惡化了載流子遷移率，特別是在p型SnSe晶體中。
因此，作者打算調控SnSe晶體中的固有缺陷（特別是Sn空位），這是提高載流子遷移率和熱電性能的可行方法，特別是在室溫下。
受結構材料研究中“成分素化”概念的啟發，提出了一種“晶格素化”策略，該策略是指使用適當數量的外在原子來操縱固有缺陷并促進載流子傳輸，從而實現晶格的高性能熱電。與通過簡化化學成分來實現固有缺陷操縱的組合物純化策略不同，晶格純化策略可以看作是其在熱電場中的延伸。
實現非凡的載流子遷移率意味著更高的導電性，從而部分有助于降低功耗，這對于熱電冷卻設備的實際應用至關重要。與引入外在缺陷以提高載流子濃度和有效質量不同，本文的目標是抑制缺陷，特別是Sn空位，以削弱缺陷散射并提高載流子遷移率。為了填補Sn空缺，選擇了Cu而不是Sn自補償，其源于Cu也可以用作空穴摻雜劑。
本文成功地實現了使用晶格純化策略在SnSe晶體中的高性能發電和帕爾貼冷卻。通過在先前的2%Na摻雜上引入少量的Cu，從而實現了操縱固有缺陷，特別是Sn空位，有利于載流子遷移率μ的大幅增加（圖1A）。
值得注意的是，Na摻雜僅產生高載流子濃度并將費米能級移動到價帶中，而價帶結構或晶格結構沒有改變。具體來說，與無銅的SnSe相比，μ在300 K下從~250 cm-2 V-1 s-1增強到~319 cm-2 V-1 s-1。
除了填補Sn空位外，額外的Cu取代晶格中的Sn成為p型摻雜，使載流子濃度n在300 K下從4.0×1019 cm-3增加到6.4×1019 cm-3，這是實現低熱電裝置內阻和工作功耗的先決條件之一。
此外，Cu占據晶格中的Sn位置有效地調節了晶體結構，從而促進了多能帶合力，進一步優化了有效質量m*和μ。
此外，在p型SnCu0.001Se晶體中，協同優化的電傳輸使得PF顯著增強，在300 K時超過100 μW cm-1K-2。
同時，所有樣品保持本質上較低的熱導率，在較寬的溫度范圍內有利于高ZT值。具體來說，在300 K時獲得了1.5的超高ZT，在300到773 K時的ZTave為2.2，顯示了其在發電和帕爾貼冷卻方面的優異潛力。
作者進一步設計了一個使用SnCu0.001Se樣品的單腿熱電裝置，利用商用Mini-PEM儀器在~300 K溫差下獲得了~12.2%的高轉換效率，這一結果優于大多數報道的單腿和多對熱電器件在相似溫差下的轉換效率。
此外，作者還制造了采用p型SnCu0.001Se晶體與n型商業化Bi2Te2.7Se0.3相結合的七對熱電冷卻裝置，當熱端溫度固定在300 K時，最大冷卻溫差達到61.2K（圖1C），與基于Bi2Te3的商業化器件的冷卻性能相當，進一步促進了SnSe晶體在電子器件的熱電冷卻和精確熱管理方面的潛在應用。
圖3.?通過理論模擬揭示SnCu0.001Se中缺陷形成能和價能帶結構的多重Cu角色
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7196
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