近日，东南大学物理学院王金兰教授团队和机械工程学院陈云飞教授团队合作在二维高效率热电材料设计上取得新进展。相关成果以“A General Strategy for Designing Two-dimensional High-efficient Layered Thermoelectric Materials”为题，在线发表于国际著名期刊《Energy &Environmental Science》上。
热电技术可以将废热和太阳能转化为电能，对于开发可再生清洁能源设备具有重要意义。二维热电材料因具有优异的抗弯曲能力和柔韧性，在先进热电材料应用中展现出了巨大的优势。然而，由于电学输运参数之间的相互约束和弱的声子散射，二维材料中的功率因子低而晶格热导率高，导致其热电优值（ZT）较低。因此，发展提升材料热电优值普适性的理论和策略，获得高热电优值（ZT> 2）的二维热电材料就变得尤为重要。
对这一挑战，物理学院王金兰教授和机械工程学院陈云飞教授合作提出了一种普适的设计策略，即将具有pz轨道占据的孤对电子的原子厚度单层引入层状材料的范德华间隙中来提高ZT。作为一个成功的例子，她们成功预测了一种新型的二维室温热电材料BiBi2X3（X = S/Se/Te）。这种材料可以通过将Bi单层插入到Bi2X3双层的范德华间隙中被获得。一方面，插入的Bi单层可以增大电子态密度，并使费米能级附近的电子态密度急剧增加，进而产生大的功率因子。另一方面，它同时引入了局部集体晶格振动模式和灵敏的静电相互作用，分别实现了对低频声子输运和高频声子输运的独立抑制，最终获得了超高的ZT（室温下二维BiBi2Te2S的ZT为2.12）。这个工作不仅揭示了纳米范围内载流子和声子的输运机理，也为先进的热电转换技术的发展指明了方向。
本论文第一作者为东南大学机械工程学院博士生张喜雯，通讯作者为东南大学王金兰教和东南大学陈云飞教授。该项工作得到了国家杰出青年基金、国家自然科学基金重点项目、国家重点研发项目、东南大学优博基金等的大力支持。
文章链接：https://doi.org/10.1039/D1EE00356A