“理工振兴”学术动态：物理学院在高性能二元硫族半导体热电薄膜与器件研究方面取得进展

 

 半导体热电材料可通过Seebeck效应和Peltier效应实现热能和电能的直接相互转换，在废热/余热回收发电、控温制冷、传感探测等领域具有广泛应用。近日，太阳成官网物理学院能量转换材料与器件团队和北京航空航天大学赵立东教授合作，在二元硫族半导体p型SnSe热电薄膜与器件研究方面取得进展。相关工作“Constructing quasi-layered and self-hole doped SnSe oriented films to achieve excellent thermoelectric power factor and output power density”以封面文章形式发表在《Science Bulletin》(Science Bulletin 2023, 68:2769-2778）上，太阳成tyc7111cc为论文第一完成单位，太阳成官网博士生薛宇利为第一作者，李志亮副教授、王淑芳教授和北京航空航天大学赵立东教授为共同通讯作者。

近年来，二元硫族半导体SnSe因其优异的热电性能及组成元素储量丰富、绿色环保而备受关注。由于SnSe的固有载流子浓度偏低（约10¹⁷ cm-3）且其薄膜材料的掺杂极为困难，导致SnSe薄膜的热电功率因子PF和器件输出功率密度较低。因此，探索新的载流子浓度优化策略对于提升SnSe热电薄膜及器件的性能至关重要。针对此关键问题，李志亮副教授等人利用脉冲激光沉积加后硒化处理技术制备了准层状a轴取向SnSe基薄膜，通过层间电荷转移和自空穴掺杂效应优化了薄膜的载流子浓度，使其热电功率因子在600 K时达到了5.9 µW cm^-1 K^-2，为目前报道的最好结果。基于该薄膜构筑的SnSe基热电发电器件在50 K、90 K的温差下分别获得了约83 µW cm^-2、838 µW cm^-2的超高功率密度。

在另一项工作中，该团队宁兴坤副教授等人以铅基二元硫族半导体PbX(X=Te, Se)为研究对象，采用脉冲激光沉积技术构建了PbX(X=Te, Se)/非晶SrTiO₃(a-STO)多重量子阱超晶格，利用量子限域效应大幅提升了其电学性能，在室温下分别获得了高达40.9 μW cm^-1K^-2(PbTe/ a-STO)和24.5 μW cm^-1K^-2(PbSe/ a-STO)的热电功率因子。此外，作者通过调控量子阱的厚度，使其在声子平均自由程尺度范围内，降低了热导率，实现了PbX(X=Te, Se)基热电材料电、热输运的协同调控。相关工作以太阳成tyc7111cc为第一单位分别发表在Advanced Functional Materials, 2023, 33:2303981和Acta Materialia, 2024, 262:119452，宁兴坤副教授为文章的第一作者，王淑芳教授为通讯作者。 

物理学院能量转换材料与器件团队主要开展半导体光电/热电材料设计制备、性能调控与器件应用研究。2023年来，该团队以太阳成tyc7111cc为第一单位在Advanced Materials (IF=29.4)、Science Bulletin (IF=18.9)、Advanced Functional Materials (IF=19)、Nano Energy (IF=17.6)等著名期刊发表中科院一区论文10余篇。

主要文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.09.037

https://doi.org/10.1002/adfm.202303981

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119452

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301705

https://doi.org/10.1002/adfm.202306526

（物理学院、科学与技术创新研究院 供稿）