重磅！北航赵立东，第十篇Science！

来源：微算云平台

热电技术在过去20年里经历了快速发展，最有前景的应用领域包括发电和主动冷却。在现有的热电材料中，硒化锡（SnSe）由于过去十年中不断确立的出乎意料的高热电效率而发展尤为迅速。一些用于解释和提高SnSe热电性能的输运机制和策略，对于理解和开发具有类似SnSe特性的其他材料系统非常重要。与其他热电材料一样，构建商业上可行的基于SnSe的器件需要在器件效率和服务稳定性方面取得进步。所有材料系统进一步的优化将使热电技术在未来全球能源格局中发挥关键作用。

在此，北京航空航天大学赵立东教授和美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授等人基于热电材料将热能和电能相互转化，使其可用于发电和冷却，全面概述了该领域的最新发展，部分原因得益于硒化锡，这是一种窄间隙半导体，不是作为热电材料的明显选择。然而，十年前，硒化锡被证明具有很高的热电效率，这种化合物的发现和进一步改进对于开发新一代热电材料和器件非常重要。此外，预计更多的应用场景将促进热电行业的发展，这可以通过利用新兴的跨学科来实现，热电与其他技术的结合可能会为未来的材料科学和可再生能源技术提供变革性的机会。

相关文章以“The development and impact of tin selenide on thermoelectrics”为题发表在Science上。

研究内容

电热输运决定了材料的基本物理特性，它们的结合为各种应用提供了前景。电输运通常伴随着热传递；然而，对于现代电子学来说，具有热导性和电绝缘性的陶瓷材料至关重要。具有电导性和热绝缘性的材料，如热电材料，通过塞贝克效应和佩尔捷效应实现功率生成和冷却。尽管这些材料可能为可持续能源技术提供一条绿色路径，但它们的广泛应用受到相对较低效率的限制。要实现更好的能源转换效率，需要进一步解耦电热输运行为。

复杂的电子结构倾向于有利于电输运，而大的单元格和复杂的晶格结构导致热导率低。这些趋势促进了各种热电材料的发现。其中，硒化锡（SnSe）是一种突出的材料，因为它具有热电性的关键特性。经过10年的发展，基于SnSe的材料已经在实验室规模上为功率生成和电子冷却开发出了卓越的性能。这些材料不仅提供了潜在的性价比高、环保、资源丰富和高效的热电候选材料，而且SnSe的发展轨迹激发了具有类似特性的其他热电材料的发现和改进。

2014年在SnSe晶体中发现了高热电性能，这得益于它们固有的低热导率和高平面载流子迁移率。这一突破引发了大量研究，以确定SnSe中热输运的起源。为了加深对这种输运行为的理解，已经取得了进展，包括研究多个电子带及其协同作用、三维（3D）电荷和二维（2D）声子输运、氧化去除和晶格平面化。这些成就加深了对SnSe的物理理解，并为其他热电材料系统提供了重要的指导。

图1：先进的热电材料的性能。

图2：非谐性和固有的低导热系数。

图3：复杂的电子结构。

图4：3D/2D传输和DPM策略，以获得较高的平面外性能。

图5：用于热电研究的微结构。

图6：具有多维结构的热电器件。

过去十年，热电领域的技术经历了快速发展，这与硒化锡（SnSe）等材料的发现和改进不谋而合。这一时期是热电技术开发的重要里程碑，加深了人们对高热电性能驱动因素的基本理解，以及这种理解可能对能源管理、保护和各个科学和技术领域产生的广泛影响。SnSe因其固有的物理特性而闻名，这些特性有利于热电输运，如强烈的非谐性、复杂的电子带、三维/二维输运、对氧化的敏感性以及缺陷诱导的调控，已成为一种重要材料，展示了在发电和固态冷却方面的巨大潜力。此外，研究工作已经多样化，探索具有类似SnSe特性的热电材料。这一进展也刺激了其他科学和技术领域的进步。这种扩展扩大了热电技术的应用范围，并促进了其在材料科学、物理学、化学、生物医学、电子学、焊接、连接、封装和系统设计等领域的应用。展望未来，解决优化热电材料的关键问题对于推动这一动态领域的进一步创新至关重要。然而，尽管器件商业化仍是最终目标，但要实现热电技术的全面潜力，仍面临许多挑战。

考虑到热电技术的应用有限且效率不高，通过利用高可靠性、快速响应和可定制尺寸等特点来扩大应用范围至关重要。探索热电材料的用例，如可穿戴、集成和微型化电子设备，可能会有所收获。基于SnSe和其他热电材料开发多维高效器件可能会提供令人惊讶的效率。SnSe在如二维异质结构和拓扑绝缘体等领域也得到了认可和兴趣。SnSe在这些新兴领域的发展可能为其热电特性的使用提供更多途径，并为跨学科研究开辟不同领域。将热电材料定向但不受限制地整合到其他技术中，可能会在可持续能源领域提供令人惊讶和重要的协同效应。热电材料在过去十年经历了一场新的革命，现在是创造性思考它们可以如何被利用的时候了。

文献信息

Bingchao Qin, Mercouri G. Kanatzidis*, Li-Dong Zhao*,The development and impact of tin selenide on thermoelectrics,Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adp2444

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