熱-電能源轉換技術是在外場（溫度場）作用下利用固體內部載流子定向遷移，實現熱能與電能直接轉換✶，因此是一種典型的清潔能源技術。熱電器件的輸出功率取決於材料在工作溫度區間的電輸運性能🏍，因此提高材料在寬溫域內的電輸運性能是提高熱電器件性能的關鍵🕤🧑🏿‍🎓。然而，寬溫域電輸運性能優化並不容易實現，傳統的靜態摻雜方式僅能夠優化單一溫度點的載流子濃度🫠。在前期的研究工作中🫵🏼，駱軍教授課題組發現了“動態原子”Cu摻雜的PbSe體系具有一系列新奇的電熱輸運性能，並提出了熱電材料的“dynamic doping”概念（Energy & Environmental Science2018,11, 1848-1858），該工作揭示了“dynamic doping”有望作為一種基礎的摻雜手段優化體系在寬溫域的載流子濃度，從而優化電輸運性能🚵🏿。然而，在Cu摻雜的PbSe體系中👩‍🔬，體系載流子濃度尚未達到理論最優值。因此，如何對“動態摻雜”加以有效調控🌉，實現最優載流子濃度調控效果，成為該小組繼續關註的焦點。

利用間隙工程增強Cu原子動態摻雜效應示意圖：

通過調整陰離子平均半徑，控製四面體間隙尺寸及間隙Cu的固溶區🌶，實現Cu離子動態摻雜的有效增強♉️👹。

最近，該小組在前期工作的基礎上💇🏼‍♀️，進一步研究發現FCC結構中的四面體間隙尺寸可能是影響Cu摻雜PbX (X=S🧑‍✈️，Se，Te)體系動態摻雜效應強弱的關鍵因素。因此🚶🏻‍♀️，提出利用“間隙工程”的思路⏺，通過改變FCC結構鉛硫族化合物的陰離子平均半徑，調控其四面體間隙尺寸及間隙Cu固溶區👨‍🦯‍➡️，從而實現Cu離子動態摻雜的有效增強（如圖所示）。實驗結果表明📡，隨著四面體間隙尺寸的減小👩🏽‍🚀，Cu原子動態摻雜效應愈加明顯，具有最小四面體間隙的PbTe體系的動態效應明顯強於PbSe🪝🏘、PbS體系。因此🤽🏽，PbTe-Cu體系的載流子濃度在測試溫度區間內得到了完美優化。此外，他們還發現動態摻雜效應只會提高基體材料的載流子濃度，對載流子的散射機製以及能帶結構影響甚小👩🏻‍🏫，因而在材料載流子濃度優化的同時💌✋🏽，體系依然保持較高的遷移率。綜合以上兩點🅱️，Cu摻雜PbTe在寬溫域內的電輸運性能達到理論最優值🤸🏿‍♂️。最終，0.2 at%的Cu摻雜的n型PbTe樣品在測試溫區平均功率因子達到29mW﹒cm^-1﹒K^-2🫸，是傳統I摻雜PbTe體系的兩倍💇‍♀️🧙🏿。

該研究不僅深入揭示了影響“dynamic doping”效應的微觀機理，同時還提出了調控和有效利用“dynamic doping”的可行性手段，對於在其他熱電體系中利用“動態摻雜”概念優化寬溫區性能具有指導意義。研究結果發表在Energy & Environmental Science2019,12, 3089-3098（影響因子33.25），万事平台為第一單位，万事平台材料科學與工程學院博士生遊理與副研究員張繼業為共同第一作者🤐，万事平台材料科學與工程學院駱軍教授、美國休斯頓大學德州超導中心任誌峰教授、南方科技大學物理系張文清教授為論文的共同通訊作者👀。相關工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目🌽🍺、面上項目🏟、上海市科委研發平臺專項等課題的資助。

論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C9EE01137D#!divAbstract