突破！太原科技大学，首篇Science！

来源：The Purdue Exponent，Journal & Courier、小木虫

将热量直接转化为电能的热电技术，被认为是回收工业余热、航天能源和高温发电的重要突破口。然而，真正制约热电材料走向应用的，并不是某一个“最高性能点”，而是它们往往只能在极其狭窄的温度区间内表现优异。一旦温度发生变化，效率便迅速下降。这一“只在巅峰发光、却难以稳定输出”的问题，长期困扰着高性能热电材料的设计与工程化。

在此，北京航空航天大学赵立东教授、常诚教授联合太原科技大学白培康教授、宿力中教授通过铅合金化诱导晶格对称性增强，成功将 n 型 SnSe 在高对称 Cmcm 相中的超高热电性能，从“单点峰值”拓展为一个横跨 250 K 的高效平台。材料在 673–923 K 的宽温区内平均 ZT 接近 3.0，并在器件层面实现了 19.1% 的热电转换效率。这项工作不仅刷新了 n 型 SnSe 的性能边界，也为“如何让热电材料在真实环境中稳定高效工作”提供了全新设计思路。相关成果以“Extending the temperature range of the Cmcm phase of SnSe for high thermoelectric performance”为题发表在《Science》上，Tian Gao、Yi Wen、Shulin Bai和宿力中教授为共同一作。

这是赵立东教授发表的第 14 篇 Science 正刊论文，也是他今年发表的第三篇 Science。值得一提的是，这也是太原科技大学首篇Science。

在明确了“把性能峰值拉成长平台”这一目标之后，研究团队首先从整体性能层面给出了最直观的答案（图1）。通过在氯掺杂的 n 型 SnSe 中引入高比例铅合金化，材料的结构在高温下发生了关键转变：原本只在窄温区短暂存在的 Cmcm 相被显著稳定下来，并逐步演化出局部近似岩盐结构的高对称晶格形态（图1a）。这一变化直接带来了热电性能的“质变”——材料不再只是在某一个温度点达到 ZT≈3.0，而是在 673–923 K 的宽温区内始终维持接近 3.0 的高水平，形成了一个横跨约 250 K 的高效“平台”（图1d）。更重要的是，这种优势并未停留在材料参数层面，基于该材料制备的单腿热电器件在 572 K 的温差下实现了 19.1% 的转换效率，明显优于多数已报道的高性能热电体系（图1e）。图1由此给出一个清晰信号：通过结构调控，SnSe 的热电性能首次真正具备了“工程可用”的稳定性。

图1：通过铅合金化增强晶格对称性，使 n 型 Cmcm SnSe 在 673–923 K 宽温区内维持 ZT ≈ 3.0，并实现 19.1% 的热电转换效率

然而，性能平台的出现并非偶然，其背后必然对应着电输运行为的根本改变，这正是图2所要回答的问题。通常情况下，提高载流子浓度往往会不可避免地牺牲载流子迁移率，导致电性能“顾此失彼”，但在这里，铅合金化却打破了这一传统权衡关系（图2）。实验结果显示，在 Cmcm 相温区内，合金化样品的电导率显著提升（图2a），而 Seebeck 系数的下降幅度却远低于经典模型的预测（图2b），最终使功率因子整体提高了约 50%（图2c）。能带结构分析进一步揭示了原因：铅的引入使导带逐渐变平，态密度有效质量随之增加，即便载流子浓度明显上升，材料依然能够维持较高的热电势（图2e,f）。这意味着，材料并非单纯“靠堆载流子提电导”，而是在能带层面实现了更高效的电输运协同。

图2：铅合金化后 Cmcm 相 SnSe 的电输运性能与能带结构演化，展示功率因子的显著提升

如果说图2解释了“电为什么能更好地流动”，那么图3则进一步追问一个更深层的问题：为什么在高温下，载流子迁移率没有被剧烈的晶格振动拖垮。答案恰恰藏在晶格对称性的变化之中（图3）。随着铅合金化程度的提高，Cmcm 相中 Sn–Se 键与晶体平面的夹角逐渐减小，晶格结构向理想的岩盐型对称性靠拢（图3b）。这一对称性增强直接降低了材料的形变势，使得声子对电子的散射显著减弱，从而在高温下“释放”了载流子的运动能力。实验中可以清楚看到，在 Cmcm 相区间内，合金化样品的迁移率不仅没有下降，反而逐渐追平甚至超过未合金化样品（图3a）。这说明，结构对称性的提升在这里扮演了一个关键角色：它让材料在高温环境中同时兼顾了高载流子浓度与高迁移率，为稳定高 ZT 奠定了物理基础。

图3：晶格对称性增强降低形变势，促进高温下的载流子迁移率恢复与提升

在电输运被成功“解放”的同时，材料的热输运同样没有被忽视，这一点在图4中得到了完整验证。实验结果表明，铅合金化并未破坏 SnSe 原本就极低的晶格热导率，反而通过 Sn–Se 键软化、声速降低以及质量涨落效应的叠加，使 Cmcm 相中的晶格热导率进一步下降并稳定在较低水平（图4a,b）。正是这种“电更好、热更难走”的协同结果，使材料在整个高温区间内维持了接近 3.0 的 ZT 平台（图4c）。最终，研究团队通过实际器件测试给出了最有说服力的答案：单腿热电器件在较大温差下实现了 19.1% 的峰值转换效率，验证了该材料不仅“参数好看”，而且确实具备高效能量转换的应用潜力（图4d）。至此，从结构、输运到器件，整条逻辑链条在图4中完成闭环。

图4：声子输运调控与热电器件性能验证，证实材料在器件层面的高效率输出

小结

这项研究的核心价值，并不仅在于刷新了一项性能纪录，而在于提供了一种可推广的设计范式：通过合金化调控晶格对称性，在不牺牲载流子迁移率的前提下，实现电—热输运的协同优化。SnSe 中 Cmcm 相从“短暂存在”走向“宽温稳定”，为高温热电材料真正走向工程应用迈出了关键一步。 未来，这种“对称性驱动”的思路有望推广至更多低对称层状热电体系，为余热发电、航天能源以及高温能量回收技术打开新的可能空间。

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