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物理学系郑毅研究员课题组在Nature Communications上发表论文揭示新型热电材料SnSe的多谷能带输运和物性的缺陷调控

编辑:周辰 来源:物理学系 时间:2018年01月10日 访问次数:3139  源地址

热电材料可以利用赛贝克(Seebeck)效应收集废热发电,以及利用帕尔帖(Peltier)效应实现高效率的电能制冷,是一种潜在的绿色能源材料。当前热电材料应用的主要瓶颈是其品质因子(thermoelectric figureofmerit)ZT很难突破1。最近的研究发现,硒化锡(SnSe)单晶在923KZT达到了创纪录的2.6。锡和硒元素在地球上含量丰富,其化合物的合成非常简便,因而SnSe被预期有非常广阔的应用前景。然而,SnSe单晶的空穴自掺杂和高ZT的来源至今没有定论。

浙江大学物理学系郑毅研究员课题组和上海微系统所沈大伟研究员团队合作,利用极低温量子输运测量和超高分辨角分辨光电子能谱两种互补技术首次揭示了SnSe的多谷能带输运,并成功利用“缺陷工程”实现了对该材料电子结构和热电性能的有效调控,为进一步利用能带工程合成和改进高效能热电材料提供了必要依据。相关论文“Defects controlled hole doping and multivalley transport in SnSe single crystals”发表于Nature Communications[9, 47 (2018)]

该研究发现SnSe热电输运由其独特的“多谷峰型(multivalley)”能带与类似石墨烯的线性色散(如图1)所决定。前者可以极大增强材料的赛贝克(Seeback)系数,后者会导致材料中的电子有效质量减小进而有效增强材料的电导率,而两者的共同作用使得SnSe材料的热电ZT得到了极大增强。在此基础上,该研究提出了可以从微观机理角度理解与寻找高热电ZT材料的“布丁(pudding-mould)”模型,这也是人们首次可以从电子结构的角度理解SnSe中非同寻常的热电物性。研究还通过人为引入可控的SnSe2杂相态和点位错,实现了在保持SnSe原有基本物性基础上对其空穴载流子浓度的有效调控,为将来利用“缺陷工程(defect engineering)”这一成熟有效手段合成和改进高效能热电材料开辟了新的理论方向和技术基础。  

浙江大学物理学系研究生王震、沈智旋和中科院上海微系统所博士研究生樊聪聪为论文共同第一作者,浙江大学物理学系郑毅研究员和上海微系统所沈大伟研究员为论文的共同通讯作者。该工作获得了科技部重点研发项目(2016YFA03002042017YFA0303002),青年千人启动基金等项目的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-02566-1

图1 SnSe单晶的“多谷峰型(multivalley)”能带:其低能电子结构为典型的“布丁(pudding-mould)”形状,并具有类似石墨烯的线性色散关系;量子输运揭示“多谷”能带和空穴自掺杂的缺陷物理起源


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