半導體熱電材料可通過Seebeck效應和Peltier效應實現熱能和電能的直接相互轉換，在廢熱/余熱回收發電、控溫制冷、傳感探測等領域具有廣泛應用。近日，我校物理學院能量轉換材料與器件團隊和北京航空航天大學趙立東教授合作，在二元硫族半導體p型SnSe熱電薄膜與器件研究方面取得進展。相關工作“Constructing quasi-layered and self-hole doped SnSe oriented films to achieve excellent thermoelectric power factor and output power density”以封面文章形式發表在《Science Bulletin》(Science Bulletin 2023, 68:2769-2778）上，河北大學為論文第一完成單位，我校博士生薛宇利為第一作者，李志亮副教授、王淑芳教授和北京航空航天大學趙立東教授為共同通訊作者。

近年來，二元硫族半導體SnSe因其優異的熱電性能及組成元素儲量豐富、綠色環保而備受關注。由于SnSe的固有載流子濃度偏低（約10¹⁷ cm-3）且其薄膜材料的摻雜極為困難，導致SnSe薄膜的熱電功率因子PF和器件輸出功率密度較低。因此，探索新的載流子濃度優化策略對于提升SnSe熱電薄膜及器件的性能至關重要。針對此關鍵問題，李志亮副教授等人利用脈沖激光沉積加后硒化處理技術制備了準層狀a軸取向SnSe基薄膜，通過層間電荷轉移和自空穴摻雜效應優化了薄膜的載流子濃度，使其熱電功率因子在600 K時達到了5.9 μW cm^-1 K^-2，為目前報道的最好結果。基于該薄膜構筑的SnSe基熱電發電器件在50 K、90 K的溫差下分別獲得了約83 μW cm^-2、838 μW cm^-2的超高功率密度。

在另一項工作中，該團隊寧興坤副教授等人以鉛基二元硫族半導體PbX(X=Te, Se)為研究對象，采用脈沖激光沉積技術構建了PbX(X=Te, Se)/非晶SrTiO₃(a-STO)多重量子阱超晶格，利用量子限域效應大幅提升了其電學性能，在室溫下分別獲得了高達40.9 μW cm^-1K^-2(PbTe/ a-STO)和24.5 μW cm^-1K^-2(PbSe/ a-STO)的熱電功率因子。此外，作者通過調控量子阱的厚度，使其在聲子平均自由程尺度范圍內，降低了熱導率，實現了PbX(X=Te, Se)基熱電材料電、熱輸運的協同調控。相關工作以河北大學為第一單位分別發表在Advanced Functional Materials, 2023, 33:2303981和Acta Materialia, 2024, 262:119452，寧興坤副教授為文章的第一作者，王淑芳教授為通訊作者。 

物理學院能量轉換材料與器件團隊主要開展半導體光電/熱電材料設計制備、性能調控與器件應用研究。2023年來，該團隊以河北大學為第一單位在Advanced Materials (IF=29.4)、Science Bulletin (IF=18.9)、Advanced Functional Materials (IF=19)、Nano Energy (IF=17.6)等著名期刊發表中科院一區論文10余篇。

主要文章鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.09.037

https://doi.org/10.1002/adfm.202303981

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119452

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301705

https://doi.org/10.1002/adfm.202306526

（物理學院、科學與技術創新研究院 供稿）