中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室、能源材料化学协同创新中心谢毅教授、肖翀副研究员课题组，近日应邀在Journal of the American Chemical Society上发表题为“Defect Chemistry for Thermoelectric Materials”的Perspective文章（DOI: 10.1021/jacs.6b08748）。文章基于目前热电领域核心的缺陷工程策略，重新审视了其中缺陷调控的自由度问题，重点关注了除现有的电子电荷和声子自由度之外的一些新型缺陷调控自由度，并提出了一种基于缺陷化学的“多自由度协同调控”的研究思路。
热电材料作为一种新型的清洁能源材料，能够直接实现热能和电能相的互转换，有望为提高能源利用率、缓解环境污染问题提供一种综合协调的选择。然而，材料本征电子结构所决定的电、热输运参数的反比耦合关系使得热电材料的ZT值及热电器件的能量转换效一直徘徊在较低的水平。缺陷工程在目前热电材料的性能优化方面起着重要作用，通过缺陷化学可以调节固体晶格本征的电子和声子的输运行为，进而实现对热电输运参数的优化控制。根据不同的调节方向可以将现有的缺陷工程策略划分为电子能带工程（如缺陷引起的能带收敛，态密度共振等）和声子工程（如PGEC体系，全尺度分级结构等）两大类：前者侧重于优化材料的电学性能（即提高功率因子PF=σS2）；后者侧重于优化材料的热学性能（即降低晶格热导率kl）。通过这些优化策略的指导和实施，过去十多年在热电领域取得了诸多的重大突破，一大批具有优异热电性能的材料和体系相继被报道。然而回头梳理研究历程我们发现现有的基于缺陷工程思想的优化策略在关注电子电荷自由度和声子自由度的同时，忽略了对其他缺陷引发的调控自由度的研究。其中包括（但不局限于）（1）缺陷相关的自旋自由度的调控，如：自旋熵（Spin Entropy），近藤散射（Kondo Effect）和自旋态转变（Spin-state Transition）；（2）基于缺陷的原子和电荷转移效应，如：缺陷为媒介的原子交换（Defect-mediated Atom Exchange）和层间电荷转移（Interlayer Charge Transfer）；（3）缺陷相关的表界面效应调控，如：同质结结构（Homojunction）和表面晶格扭曲（Surface Distortion）。通过介绍这些新的缺陷调控自由度，研究人员希望能唤起热电领域研究者们对它们的关注，并将其与现有的主流优化策略相结合，以一种“多自由度协同调控”的研究思想重新审视热电材料的优化研究。这一新的研究思想不仅丰富了缺陷工程策略的物理内涵，也必将为热电材料研究注入新的活力。
基于“缺陷工程”策略实现对热电性能的“多自由度协同优化”思想的示意图
QQ图片20161108155650.png
