吳立明老師與陳玲老師 J. Am. Chem. Soc. 文章介紹
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在廣泛地影響人們的生活方式。這對(duì)無線、可穿戴、或便攜式傳感器提出了更高的要求。熱電材料可將環(huán)境/身體熱量直接轉(zhuǎn)化為電能，提出了一種可能的解決方案。
室溫?zé)犭姴牧夏壳斑€比較稀缺，轉(zhuǎn)換效率也有待提升。當(dāng)前的商用材料，Bi2Te3（ZT ~ 1），是[Bi2]m[Bi2Q3]n (Q = Se, Te)家族中m : n = 0 : 1的一員，但面臨地殼中Te元素稀缺，毒性大等問題。而價(jià)廉的Bi2Se3（ZT ~ 0.15）卻又由于高熱導(dǎo)率，低電導(dǎo)率致使其轉(zhuǎn)換效率低下。近期國(guó)際同行Biswas課題組對(duì)BiSe化合物（m : n = 1 : 2的[Bi2]m[Bi2Q3]n家族成員）熱電性能研究中發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中的金屬性[Bi2]雙鉍層的低能振動(dòng)光學(xué)支與聲學(xué)支耦合降低了晶格熱導(dǎo)率。（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 5866-5872）
北京師范大學(xué)吳立明課題組、陳玲課題組敏銳地發(fā)現(xiàn)該研究中，BiSe垂直于層方向的電輸運(yùn)性能明顯優(yōu)于Bi2Se3，他們認(rèn)為這是一個(gè)重要的信息尚被忽略。由于有堅(jiān)實(shí)的晶體化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的基礎(chǔ)，他們通過DFT方法研究了[Bi2]m[Bi2Q3]n家族代表性成員，BiSe，Bi8Se7和Bi4Se3（m : n值分別為2 : 1, 5 : 7, 1 : 1）的能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu)中Bi0（雙鉍層中零價(jià)態(tài)的Bi原子）和Bi3+（Bi2Se3層中的三價(jià)Bi離子）的px，py軌道對(duì)垂直于層結(jié)構(gòu)方向（也即布利淵區(qū)的Г–A方向）的能帶具有較大貢獻(xiàn)，并在層間形成離域π鍵，從而增加了該方向上載流子的遷移率。同時(shí)他們提出可以用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)F (F = Dpx,py(Bi0)/Dpx,py(Bi3+)) 來評(píng)估這種層間離域π鍵的強(qiáng)度。研究表明： F最優(yōu)值為1，當(dāng)化合物F值越接近1，離域π鍵作用力越大，載流子遷移率也越大。計(jì)算表明：在[Bi2]m[Bi2Q3]n家族中，Bi8Se7的F = 1.06，最接近最優(yōu)值，因而具有該家族化合物最大的載流子遷移率。隨后他們通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了上述理論推斷。實(shí)驗(yàn)工作表明：合成所得的Bi8Se7在300 K時(shí)載流子遷移為（33.08 cm2/Vs），高于BiSe（26.19 cm2/Vs），具有較高電導(dǎo)率，室溫下ZT值與BiSe接近。進(jìn)一步通過Te/Sb共摻雜, 調(diào)節(jié)導(dǎo)帶頂部的走勢(shì)和能量，共摻雜樣品Bi5.6Sb2.4Se5Te2的ZT值在425 K時(shí)提高到 ~ 0.7。通過單拋物線帶模型預(yù)測(cè)，Bi5.6Sb2.4Se5Te2的ZT在425 K時(shí)可達(dá)到 ~ 1.2，表明Bi8Se7基熱電材料是一種在潛在的室溫n型熱電材料。
該研究工作近期被美國(guó)化學(xué)會(huì)志接收發(fā)表（J. Am. Chem. Soc., 2020, DOI: 10.1021/jacs.0c05904）。北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院為唯一完成單位?；瘜W(xué)學(xué)院博士生賈斐為論文第一作者，2015級(jí)本科生劉泳一，2018級(jí)本科生舒心，張藝凡參與部分實(shí)驗(yàn)工作。該研究得到北師大高層次人才基金，國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研究開發(fā)計(jì)劃的資助，特此感謝。
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