近日，唐新峰教授和柳偉研究員在國際頂級期刊Science Advances和Advanced Materials等上發表高水平研究論文，報道了他們基于分子束外延（MBE）-掃描隧道顯微鏡（STM）-角分辨光電子能譜（ARPES）聯立系統研發近室溫高性能熱電薄膜的最新進展，為熱電材料的電子能帶結構有效調控及熱電性能的大幅度優化提供了新思路和重要借鑒。
半導體熱電材料能利用Seebeck效應和Peltier效應實現熱電發電和主動制冷的重要應用，具有體積小、無噪音、長壽命等顯著優勢，在光通信、智能駕駛、航天航空、汽車電子、工業激光、紅外探測、半導體制造、生物醫療、智能可穿戴電子產品等領域具有重要和廣泛的應用。熱電材料研發的核心是探索熱電性能優化的新效應和新機制，并指導開發高性能的新型熱電材料。
(Bi,Sb)2Te3是目前唯一商業化應用的p型熱電材料，也是研究最廣泛的熱電材料體系之一。其中，在Bi0.5Sb1.5Te3這一確定的化學組分附近具有最大的態密度有效質量（m*），因而具有最佳的熱電功率因子（PF）和無量綱熱電優值（ZT）。但迄今為止，Bi0.5Sb1.5Te3組分具有最大態密度有效質量的物理本質仍然不明確，因而嚴重阻礙了(Bi,Sb)2Te3體系及其熱電器件性能的進一步提升。唐新峰教授團隊利用MBE技術制備了一系列高質量的Bi2-xSbxTe3單晶薄膜，利用ARPES先進技術和第一性原理計算對其電子能帶結構進行了精細的實驗表征和理論分析，率先揭示了價帶結構隨組分的兩步優化策略。發現Γ-M方向的雙價帶隨組分變化發生收斂，以及在重摻雜的條件下Γ-K方向的價帶顯著貢獻電輸運，是Bi0.5Sb1.5Te3獲得所有組分中最大的m*以及超高熱電功率因子（~5.5 mWm-1K-1）的重要電子結構起源。該研究為(Bi,Sb)2Te3體系的體能帶結構解析提供了新見解，也為進一步優化其熱電性能提供重要的實驗和理論指導。
學校材料復合新技術國家重點實驗室作為該文的第一通訊單位，唐新峰教授和柳偉研究員為通訊作者，博士生程睿為論文第一作者，博士生葛浩然為共同第一作者。原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn9959
Mg3Sb2基材料是一類新型近室溫熱電材料，具有環境友好、組成元素地殼豐度高、機械性能高等顯著優點，被認為是替代商用Bi2Te3基熱電材料的最佳候選者。然而，如何大幅度優化p型Mg3Sb2基材料的電性能是熱電領域面臨的重要難題。基于多能谷和窄帶隙的電子能帶結構利于熱電輸運的基礎理論，發展p型Mg3Sb2基材料的能帶結構優化新策略是熱電領域高度關注的前沿課題。唐新峰教授團隊創新性地將凝聚態物理領域廣受關注的自旋軌道耦合（SOC）效應和拓撲能帶理論應用于Mg3Sb2基材料的電子能帶結構設計和熱電性能優化之中。通過電子能帶結構的第一性原理計算和APRES精確表征，發現利用Bi元素的強SOC效應可在Mg3Sb2-xBix三元固溶組分中誘導新穎的拓撲電子結構轉變，并在Mg3Sb0.5Bi1.5最優組分中創制出兼具多能谷和窄帶隙特征的價帶結構。Mg3Sb0.5Bi1.5的m*由本征Mg3Sb2的0.7m0提升至1.4m0，熱電功率因子優化至0.7 mW m-1K-2，較本征樣品性能提升了100%以上。該研究為利用拓撲電子結構轉變優化熱電性能提供了新思路，也為p型Mg3Sb2基材料的熱電性能優化提供了重要指導。
學校材料復合新技術國家重點實驗室作為該文的第一通訊單位，唐新峰教授和柳偉研究員為通訊作者，博士生謝森為論文第一作者。原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202400845
文：柳偉；編輯：曹明；審核：羅小寒
