【仪表网 研发快讯】日前，南京理工大学唐国栋教授团队在高性能复合热电材料研究上取得重要突破，相关成果以“Matrix Plainification Leads to High Thermoelectric Performance in Plastic Cu2Se/SnSe Composites”为题发表于《自然·通讯》Nature Communications 2025, 16, 3305(论文链接：https:// DOI: 10.1038/s41467-025-58484-0)。
热电材料在温差发电和固态制冷领域具有重要前景，可用于工业余热回收、深空探测电源供给、5G/6G通信光模块制冷、光纤激光器等关键领域。目前，材料的低热电优值和器件的高温服役稳定性是制约热电技术广泛应用的瓶颈。Cu2Se热电材料因化学元素丰富、环境友好、热电性能优异而备受关注。然而，Cu2Se作为一种超离子导体，高浓度本征铜空位缺陷以及高温下铜离子迁移显著削弱材料的载流子迁移率。同时，器件服役过程中内部铜离子会在电场作用下发生定向迁移，严重影响材料的稳定性。复合热电材料的相界面工程虽然可以有效降低材料的晶格热导率，但是相界面导致强的载流子散射，使得材料载流子迁移率明显下降，导致低的功率因子和差的热电性能。
针对这一挑战，研究团队率先提出了基体晶格平整化概念(图1)，创新性地设计了Cu2Se-SnSe复合材料，在复合材料中通过降低Cu2Se材料中的空位浓度，使得Cu2Se基体相的晶格平整化，大幅削弱了晶格缺陷对载流子的散射，实现了复合材料载流子迁移率的显著提升。研究证明，Sn0.96Pb0.01Zn0.03Se复合相的Sn原子填充了Cu2Se基体相的Cu空位(图2)，从而提高载流子迁移率，同时复合相与基体之间功函数的巨大差异有效优化了载流子浓度，将材料的功率因子大幅提升到16.22 μW·cm-1·K-2。微观结构表征发现复合材料两相之间形成了准共格平直界面，能够在不影响载流子迁移率的前提下强烈散射声子，保持优异电性能的同时降低了材料的晶格热导率。电声输运的协同优化使合成的Cu2Se-SnSe复合材料在973 K下热电优值达到3.3(图3)。在合成的Cu2Se/SnSe复合材料中还观察到了高密度的纳米孪晶结构，赋予该材料优异的塑性变形能力，其压缩应变达到12%，相比于Cu2Se材料提升了4倍。理论计算揭示复合相SnSe中的Se原子能够捕获基体Cu2Se中迁移的Cu离子，抑制其长程迁移扩散，经实验证实Cu2Se-SnSe复合材料展现了良好的稳定性(图4)。研究成果为设计高热电性能、高稳定性、可加工的复合热电材料提供了全新范式，对推动固态热电器件的广泛应用具有重要意义。
图1基体晶格平整化实现了Cu2Se/SnSe复合材料载流子迁移率和热电性能的显著提升
图2微结构表征证实了Cu2Se基体晶格平整化
图3 Cu2Se-SnSe复合材料的热电优值和力学性能
图4 Cu2Se-SnSe复合材料稳定性测试和理论验证
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