今天来介绍一篇前段时间评选出来的2015-2017年度JMAT优秀论文，是关于高性能热电材料（Sn1−x Mnx)Te合金的频带和散射调谐。

2015-2017 Excellent Articles of Journal of Materiomics

Title: Band and scattering tuning for high performance thermoelectric Sn1−xMnxTe alloys

Authors: Wen Li, Zhiwei Chen, Siqi Lin, Yunjie Chang, Binghui Ge, Yue Chen, Yanzhong Pei

Issue & Pages: Issue 4, 2015, Pages 307-315

摘要：作为PbTe的类似物，SNTE的热电系数zT约为0.6，这主要是由于它的单能带输运行为所致。与在PbTe中发现的情况相似，与CdTe、HgTe、MgTe等第二类单碲化合物合金化，可使SNTE的两个价带之间的能量分离降低，从而使zT显著增加到∼1.1，并通过其他的方法(如纳米结构)进一步改进。结果表明，高可溶MnTe合金化不仅调整了合金的能带结构，而且降低了晶格的热导率，使合金在900K时的zT值达到了创纪录的∼1.3，而不依赖附加的晶格热导率降低机制。本工作证明了SN1−xMnxTe作为PbTe中铅的潜在替代物。

基于塞贝克效应，热电材料利用温差驱动材料内部载流子定向移动可实现热能到电能的直接转换，是一种无噪音、无污染的新型能源材料。碲化铅(PbTe)材料作为商业化中温区热电材料，其应用受到铅毒性的限制。碲化锡(SnTe)具有与PbTe相同晶体结构和相似能带结构，是PbTe潜在的环境友好型取代材料。然而载流子浓度过高、价带间能量差过大及晶格热导率过高限制SnTe热电性能的提升，使得SnTe材料在900K的热电优值(zT)仅为0.6。

2015年，同济大学研究团队的李文副教授(第一作者)和裴艳中教授(通讯作者)利用MnTe在SnTe中的高溶解度（约15%）特性，理论和实验论证了MnTe降低价带间能量差(图1a,b)及降低晶格热导率的双重作用；进一步通过I掺杂调节载流子浓度,使其热电优值zT提升至1.3(为当时报道最高值之一)，该研究成果发表于Journal of Materiomics(2015, 1, 307)，至今已被SCI引用68次，并获得首届《Journalof Materiomics》优秀论文奖。

图1.SnTe的价带结构(a)，通过MnTe掺杂汇聚能带(b)和间隙Cu原子降低晶格热导率的协同作用(c)，SnTe热电性能显著提升(d)。

裴教授团队针对SnTe固溶体具有高晶格热导率的问题深入研究，设计通过固溶Cu2Te引入Cu间隙原子点缺陷，最大化外来原子与母体原子间的原子质量和尺寸差，强烈散射声子，大幅度降低晶格热导率至0.5W/m-K(接近理论最低值0.4W/m-K)，且不影响能带结构及电输运性能(Adv. Electron. Mater. 2, 1600019, 2016)。结合高固溶度MnTe/MgTe的能带调控优化电输运性能作用，在SnTe材料中实现了电-热输运性能的协同最优化，使zT值提高到1.6(Adv. Mater., 2017, 29,1605887；ACS Energy Lett., 2017, 2, 563，图1d)。

溶质的固溶度限制了通过能带结构调控最大化提升电输运性能。该团队设计在SnTe中引入5%GeTe，使MnTe/CdTe的固溶度提升至20%以上，实现能带结构调控优化电输运性能的更优化。结合Cu2Te降低晶格热导率，最终使zT值达到1.8，为目前该材料的最高值(Adv. Fucnt. Mater., 2018, 28, 1803586；ACS Energy Lett., 2018, 3, 1969)。基于相关工作基础，该团队受邀在ACSEnergy Letters (2017, 2, 2349)期刊发表SnTe论文综述并被选为封面论文，总结了SnTe材料热电性能研究进展，并展望了该材料热电性能进一步提升的可能性方案。

目前，无铅SnTe固溶体材料的zT值已获得大幅度提升、其热电性能与传统PbTe材料相比热电性能已非常接近。领域内已有研究为促进无铅化高性能热电材料的应用奠定了重要基础。

延伸阅读：

Yanzhong Pei（裴彦忠), Xiaoya Shi, Aaron LaLonde, Heng Wang, Lidong Chen & G. Jeffrey Snyder.

Convergence of electronic bands for high performance bulk thermoelectrics. Nature 2011; 473: 66-9.

https://www.nature.com/articles/nature09996

最后再向大家介绍一下我们闪亮亮的JMAT期刊。由中国硅酸盐学会和Elsevier合作出版的英文期刊Journal of Materiomics,现已在ScienceDirect上发布了第四卷第三期（2018年），Journal of Materiomics 为开放获取期刊, 对作者免收发表费。 投稿说明详见官网, 期望大家不吝赐稿。