近期，中國科學院合肥研究院固體物理研究所能源材料與器件制造研究部研究員秦曉英課題組在Cu₂SnSe₃材料體系熱電性能調控方面取得進展。研究人員通過在Cu₂SnSe₃化合物中構建高密度堆垛層錯與內生納米針（nanoneedle）來散射中低頻聲子并大幅提升其熱電性能，使得Cu₂Sn_0.88Fe_0.06In_0.06Se₃-5wt.%Ag₂Se樣品的熱電優值ZT在848K時可達到1.61。相關成果發表在Nano Energy上。

　　熱電技術作為有望解決能源問題的新途徑，近年來引起廣泛關注。熱電材料的轉化效率由無量綱量熱電品質因子ZT決定，ZT=S²σT/(κ_c+κ_L)，其中S為熱電勢，σ為電導率，T為絕對溫度，κ_c和κ_L分別是載流子和晶格對熱導率的貢獻。Cu₂SnSe₃是一種組成元素廉價、環境友好的新型熱電材料，但其較高的熱導率和較低的功率因子PF(PF=S²σ)限制了其ZT值的提升。目前對于Cu₂SnSe₃熱電性能的優化主要是通過Sn位摻雜提高空穴濃度，然而這種摻雜會導致熱電勢的大幅下降和電子熱導率的顯著提升，使得ZT值的提升有限。此外，大多數研究只通過引入點缺陷或者球形納米顆粒來散射聲子，很少有利用堆垛層錯或者具有大縱橫比的納米第二相來顯著散射材料中的中低頻聲子(MLFPs)。 

　　由于多元合金/化合物里MLFPs主導熱輸運，因此有效散射MLFPs是降低晶格熱導率κ_L的關鍵。研究人員通過元素摻雜降低Cu₂SnSe₃的層錯能（圖1）以及利用Ag₂Se與Cu₂Sn_0.88Fe_0.06In_0.06Se₃的固相反應來分別引入高密度的堆垛層錯和以[112]為軸的內生AgInSnSe₄納米針（圖2和圖3）來有效散射MLFPs。第一性原理計算表明，納米針形成的內因是其(1 1 2)晶面具有高的表面能（圖1）。理論分析發現，納米針的縱橫比是一個調控散射聲子的額外自由度，通過改變縱橫比可以散射不同頻率的聲子。平均徑向尺寸為50nm、縱橫比等于10的納米針可以和堆垛層錯一樣顯著散射MLFPs（圖4），結合點缺陷及其他散射機制實現對Cu₂SnSe₃聲子的全頻譜散射，使其晶格熱導率在848K時降低至理論最小值~0.2WK^-1m^-1。與此同時，研究表明在Cu₂SnSe₃的Sn位摻Fe以及Cu位摻Ag可以增加價帶頂的態密度，并且Sn位摻Fe還可以構建額外的空穴傳輸通道（圖5），這使其功率因子提升了3倍，在800K時達到了12μWcm^-1K^-2。Cu₂SnSe₃的最高ZT值在848K時可達到1.61，是目前本體系報道的最高值（圖6）。相關工作為Cu₂SnSe₃及其他熱電材料的熱電性能調控提供了新思路。 

　　論文鏈接 

圖1 (a) Cu₂SnSe₃的廣義層錯能和 (b)AgInSnSe₄的表面能 

圖2 微結構表征及應變分析 

圖3 層錯的微觀形貌 

圖4 熱電輸運性質及分析 

圖5 電子結構計算 

圖6 功率因子及熱電優值