大自然的魅力在於它能不斷地啟示人類去思考，春暖花開與電閃雷鳴兩種自然現象傳遞出熱能🫂、電能兩種能量的存在。熱電能源轉換技術利用溫差驅動電子定向遷移🕘，實現熱能與電能的直接轉換，是清潔能源技術的典型代表。然而，要獲得與現有熱機相當的轉換效率，材料的平均熱電優值(zT)需達3.0左右，現有研究zT峰值可達2.0左右。因此，提高材料熱電性能是提升轉換效率並推進其大規模應用的關鍵🐿🏎。
      裴艷中教授2012年加盟我校材料科學與工程學院🤶🏻，在高性能熱電材料研究與開發方面取得了系列進展♋️。相關研究成果發表於Nature Communications(2篇)🍘🧛🏼‍♀️、Advanced Materials(3篇，IF 18.96)等高水平期刊上🐻‍❄️。高性能熱電材料應同時具備高導電性和低導熱性👩‍🦯，但這兩方面強烈耦合、此消彼長，難以調控😗。長期以來⚠️，降低晶格振動而引起的那部分熱導率——晶格熱導率，是提升熱電性能的主要途徑🦴。
      裴艷中教授課題組近年來致力於電熱性質解耦🦅、最小化晶格熱導率兩個方面的研究🌎，發展了能帶調控解耦電熱性質、微觀結構調控分級降低晶格熱導率的指導思路與實現技術👨‍👦‍👦，協同這兩類手段在多材料體系獲得熱電性能大幅提升🦯。
      多能帶提升了電學性質研究：在前期能帶調控的工作基礎之上(Adv. Mater. 2012, 24, 6125)，利用固有能帶嵌套結構實現多能帶傳導載流子🤵🏽，開發了300-700 K溫區內熱電性能最高(zT1)的單質材料——碲(圖1)，填補了該溫區高性能單質熱電材料的空白(Nat. Commun. 2016, 7, 10287)😞；通過能帶結構研究😜，重新認識了傳統熱電材料GeTe的zT可高達1.8，並闡明了其高zT的起因源自多能帶導電 (NPG Asia Mater. 2017, 9, e353)👈🏽。

圖1. Te的價帶嵌套和zT (a)及多能帶結構的Fermi面示意圖(b)

      分級降低晶格熱導率研究：一方面基於不同尺度的缺陷散射不同頻率的導熱基元(聲子)🧑‍🚀，設計多級缺陷降低晶格熱導率(κ_L)🧏🏼‍♂️。通過空位誘導形成高濃度位錯👱🏿‍♂️，這些一維線缺陷使PbSe的κ_L降低至玻璃態(圖2)，zT達到1.7🧷，為當前該材料報導最高值(Nat. Commun. 2017, 8, 13828)🚴🏽‍♀️；利用零維點缺陷(空位和間隙)對聲子的強烈散射作用🛍️，開發了具有本征空位結構的新型熱電材料Cu₂SnSe₄(Chem. Mater. 2016, 28, 6227-6232) ；大幅降低了含有間隙Cu離子結構的SnTe材料的晶格熱導率 (Adv. Elec. Mater. 2016, 2, 1600019)。另一方面🕵️‍♀️，通過尋找低聲子輸運速度的材料(即低聲速)❄️，開發了具有已知熱電材料中κ_L最低、性能媲美於傳統材料的新型熱電材料體系Ag₈SnSe₆(Adv. Sci. 2016, 3, 1600196)。

圖2. 一維線缺陷位錯對晶格熱導率的降低作用

      協同上述策略大幅提升熱電性能研究：協同多能帶導電與間隙原子點缺陷使SnTe 材料zT 達到1.6(提升300%)🤦🏼，為當前該材料最高(Adv. Mater. 2017, 29, 1605887👨🏼‍🏭；ACS Energy Letters 2017, 2, 563)；協同多能帶導電與位錯線缺陷使PbTe 的zT 達到2.2➞，為當前該材料最高值之一(Adv. Mater. 2017,29,1606768)；協同多能帶導電與點缺陷使GeTe 材料zT 達到2.0(Chem. Mater. 2017, 29, 605)。

圖3. SnTe協同電熱調控的zT值

      上述系列成果為熱電性能優化設計提供了科學依據，豐富了熱電性能調控手段及熱電材料體系。詳情可參考其課題組網頁http://www.tongji.edu.cn/~yanzhongpei。