編輯總結(jié)
熱電材料是一種能夠相互轉(zhuǎn)換熱能和電能的材料，因此該材料在發(fā)電和制冷方面均有應(yīng)用潛力。本文對(duì)這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展進(jìn)行了綜述，盡管錫硒化物是一種狹帶隙半導(dǎo)體，此類(lèi)材料并不是一個(gè)明顯的熱電材料選擇。然而，十年前，錫硒化物被證明具有很高的熱電效率。這一發(fā)現(xiàn)以及對(duì)該化合物的進(jìn)一步改良，對(duì)于開(kāi)發(fā)新一代熱電材料和設(shè)備至關(guān)重要。——Brent Grocholski
背景介紹
熱電材料是能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與電能相互轉(zhuǎn)換的材料，因其在發(fā)電和制冷方面的廣泛應(yīng)用而成為研究熱點(diǎn)。近年來(lái)，錫硒化物（SnSe）作為一種狹帶隙半導(dǎo)體，因其意外的高熱電效率引起了廣泛關(guān)注。然而，盡管SnSe在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下展現(xiàn)出卓越的熱電性能，其在器件構(gòu)建和工業(yè)應(yīng)用中仍面臨效率和穩(wěn)定性不足的挑戰(zhàn)。為了解決這些問(wèn)題，研究者們不斷探索提高材料性能的方法，并加強(qiáng)器件設(shè)計(jì)。為了解決上述問(wèn)題，北京航空航天大學(xué)趙立東教授和美國(guó)西北大學(xué)Mercouri G. Kanatzidis教授等人在Science期刊上發(fā)表了題為“The development and impact of tin selenide on thermoelectrics”的最新綜述論文。他們對(duì)熱電材料的發(fā)展進(jìn)行了綜述，特別關(guān)注SnSe的研究進(jìn)展。他們指出，SnSe的優(yōu)異特性主要源于其低熱導(dǎo)率和高載流子遷移率。這一突破促使了大量研究，以深入理解SnSe的熱傳輸機(jī)制，包括多電子帶的協(xié)同作用、三維電荷和二維聲子傳輸?shù)取４送猓芯窟€探討了氧化物去除和晶格平面化對(duì)熱電性能的影響。
本文亮點(diǎn)
（1）綜述了熱電材料的最新進(jìn)展，特別是錫硒化物（SnSe）在發(fā)電和制冷方面的應(yīng)用潛力。研究表明，SnSe因其低熱導(dǎo)率和高載流子遷移率而具有優(yōu)異的熱電效率，成為當(dāng)前熱電材料研究的熱點(diǎn)。（2）綜述通過(guò)分析電和熱傳輸?shù)幕驹恚沂玖藷犭姴牧闲阅芴嵘臋C(jī)制。首先，復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)有利于電傳輸，而大單元晶胞和復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)則降低熱導(dǎo)率，這種特性有助于發(fā)現(xiàn)新的熱電材料。其次，SnSe的研究促進(jìn)了對(duì)多電子帶及其協(xié)同作用的深入理解，并探討了三維電荷和二維聲子傳輸?shù)南嗷リP(guān)系，這些發(fā)現(xiàn)為其他熱電材料的研究提供了重要指導(dǎo)。（3）盡管SnSe材料在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)出優(yōu)異的熱電性能，但在器件構(gòu)建方面仍處于起步階段。當(dāng)前，n型SnSe的開(kāi)發(fā)不及p型材料，界面工程的改進(jìn)對(duì)提升器件效率和穩(wěn)定性至關(guān)重要。（4）展望未來(lái)，熱電材料的研究將更加強(qiáng)調(diào)機(jī)器學(xué)習(xí)、高通量材料設(shè)計(jì)及跨學(xué)科協(xié)作。提高材料性能和穩(wěn)定性的同時(shí)，深入探索器件設(shè)計(jì)與應(yīng)用場(chǎng)景，以推動(dòng)熱電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展并實(shí)現(xiàn)其在可再生能源技術(shù)中的潛力。整體而言，SnSe的發(fā)展激勵(lì)了對(duì)其他熱電材料的探索，為材料科學(xué)的進(jìn)步提供了新的視角。
圖文解讀
圖 3. 用于增強(qiáng) PF 的復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)圖 4. 用于獲得高平面外性能的 3D/2D 傳輸和 DPM 策略 
圖 5. 用于熱電研究的微結(jié)構(gòu)構(gòu)造
結(jié)論展望
在過(guò)去十年中，熱電學(xué)領(lǐng)域經(jīng)歷了快速發(fā)展，尤其是錫硒化物（SnSe）等材料的發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)。這一時(shí)期標(biāo)志著熱電材料開(kāi)發(fā)的重要里程碑，深化了我們對(duì)驅(qū)動(dòng)高熱電性能的基本理解，以及這種理解在能源管理、節(jié)能及各類(lèi)科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域可能產(chǎn)生的廣泛影響。SnSe以其有利于熱電傳輸?shù)墓逃形锢硖匦远劽◤?qiáng)非諧性、復(fù)雜的電子能帶、三維/二維傳輸、對(duì)氧化的敏感性和缺陷誘導(dǎo)的調(diào)控，成為了一種重要材料，展現(xiàn)出在發(fā)電和固態(tài)制冷方面的巨大潛力。此外，研究工作已經(jīng)多樣化，探索具有SnSe類(lèi)似特性的熱電材料。這一進(jìn)展也推動(dòng)了其他科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)展，拓寬了熱電學(xué)的應(yīng)用范圍，促進(jìn)了其在材料科學(xué)、物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、電子學(xué)、焊接、連接、封裝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的應(yīng)用。 展望未來(lái)，解決優(yōu)化熱電材料的關(guān)鍵問(wèn)題將是推動(dòng)這一動(dòng)態(tài)領(lǐng)域進(jìn)一步創(chuàng)新的關(guān)鍵。然而，盡管設(shè)備商業(yè)化仍然是最終目標(biāo)，但要實(shí)現(xiàn)熱電技術(shù)的全部潛力仍面臨諸多挑戰(zhàn)。考慮到在大多數(shù)情況下相對(duì)較低的溫差（ΔT），提高低品位發(fā)電和室溫制冷的效率對(duì)于擴(kuò)展這些材料的應(yīng)用范圍至關(guān)重要。因此，室溫載流子-聲子解耦需要更多關(guān)注。晶格平面化似乎提供了一種解決方案，盡管其有效性仍需在更多系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證，以最大化性能。p型SnSe晶體的室溫ZT值約為1.5，已顯示出在材料特性方面相較于商業(yè)化（Bi, Sb）?Te?的優(yōu)勢(shì)，為低成本、輕量和豐富元素的制冷提供了有希望的替代方案。然而，高性能可能伴隨著機(jī)械強(qiáng)度差和復(fù)雜加工的問(wèn)題，尤其是在SnSe類(lèi)層狀或晶體熱電材料中。盡管單晶生長(zhǎng)面臨顯著挑戰(zhàn)，包括機(jī)械性能差、高時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本以及嚴(yán)格的生長(zhǎng)條件，但低成本的自下而上的化學(xué)方法在合成具有可控微觀(guān)結(jié)構(gòu)和良好熱電性能的多晶SnSe方面顯示出潛力。然而，多晶SnSe仍然面臨低到中溫性能不足的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重限制了其潛在應(yīng)用。了解這些權(quán)衡對(duì)于確定其應(yīng)用范圍的廣泛程度至關(guān)重要。SnSe在高溫?zé)犭娦阅芊矫娴谋憩F(xiàn)令人印象深刻，使得開(kāi)發(fā)能夠在高溫下運(yùn)行的穩(wěn)定發(fā)電機(jī)變得具有吸引力。通過(guò)進(jìn)一步控制電子結(jié)構(gòu)以及保持高溫下的最佳載流子濃度，可能期望達(dá)到高達(dá)4的峰值ZT值。關(guān)注高溫Cmcm相的傳輸特性將會(huì)是一個(gè)有趣的研究方向。然而，高溫相變可能導(dǎo)致器件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋和失效。適當(dāng)?shù)某煞衷O(shè)計(jì)以調(diào)整相變溫度，以及設(shè)計(jì)器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以確保SnSe材料在單相溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，將是關(guān)鍵考慮因素。熱膨脹、機(jī)械脆弱性以及在高溫下的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都是需要解決的重要問(wèn)題，這也意味著需要對(duì)SnSe基材料和器件的相結(jié)構(gòu)工程、機(jī)械性能改善以及保護(hù)涂層或真空封裝技術(shù)進(jìn)行更多研究。 界面結(jié)構(gòu)是影響器件穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率的另一個(gè)關(guān)鍵方面。工程化穩(wěn)定的低電阻接觸，以承受高溫而不降解，對(duì)于優(yōu)化器件效率和服務(wù)穩(wěn)定性至關(guān)重要。關(guān)于相圖的理論計(jì)算可能對(duì)快速設(shè)計(jì)年輕候選熱電材料（如SnSe）的界面有效，而最近開(kāi)發(fā)的技術(shù)，如納米銀燒結(jié)、激光涂層、擴(kuò)散焊接和弧焊，為器件中高剪切強(qiáng)度和高穩(wěn)定性的連接提供了潛在解決方案。考慮到熱電技術(shù)的應(yīng)用有限且效率不佳，利用高可靠性、快速響應(yīng)和可定制尺寸等特性擴(kuò)展應(yīng)用范圍至關(guān)重要。探索熱電材料在可穿戴、集成和微型化電子產(chǎn)品等用例中的應(yīng)用可能會(huì)取得積極成果。基于SnSe和其他熱電材料開(kāi)發(fā)多維度的高效器件可能會(huì)提供意想不到的效率。SnSe也在二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣^緣體等領(lǐng)域獲得了認(rèn)可并引起了興趣。這些新興領(lǐng)域中SnSe的發(fā)展可能為利用其熱電特性提供更多途徑，并為跨學(xué)科研究打開(kāi)不同的領(lǐng)域。熱電材料在過(guò)去十年經(jīng)歷了一場(chǎng)新的革命，現(xiàn)在是時(shí)候創(chuàng)造性地思考它們的應(yīng)用。Bingchao Qin et al. ,The development and impact of tin selenide on thermoelectrics.Science386,eadp2444(2024).DOI:10.1126/science.adp2444
