近日，唐新峰教授和柳伟研究员在国际顶级期刊Science Advances和Advanced Materials等上发表高水平研究论文，报道了他们基于分子束外延（MBE）-扫描隧道显微镜（STM）-角分辨光电子能谱（ARPES）联立系统研发近室温高性能热电薄膜的最新进展，为热电材料的电子能带结构有效调控及热电性能的大幅度优化提供了新思路和重要借鉴。
半导体热电材料能利用Seebeck效应和Peltier效应实现热电发电和主动制冷的重要应用，具有体积小、无噪音、长寿命等显著优势，在光通信、智能驾驶、航天航空、汽车电子、工业激光、红外探测、半导体制造、生物医疗、智能可穿戴电子产品等领域具有重要和广泛的应用。热电材料研发的核心是探索热电性能优化的新效应和新机制，并指导开发高性能的新型热电材料。
(Bi,Sb)2Te3是目前唯一商业化应用的p型热电材料，也是研究最广泛的热电材料体系之一。其中，在Bi0.5Sb1.5Te3这一确定的化学组分附近具有最大的态密度有效质量（m*），因而具有最佳的热电功率因子（PF）和无量纲热电优值（ZT）。但迄今为止，Bi0.5Sb1.5Te3组分具有最大态密度有效质量的物理本质仍然不明确，因而严重阻碍了(Bi,Sb)2Te3体系及其热电器件性能的进一步提升。唐新峰教授团队利用MBE技术制备了一系列高质量的Bi2-xSbxTe3单晶薄膜，利用ARPES先进技术和第一性原理计算对其电子能带结构进行了精细的实验表征和理论分析，率先揭示了价带结构随组分的两步优化策略。发现Γ-M方向的双价带随组分变化发生收敛，以及在重掺杂的条件下Γ-K方向的价带显著贡献电输运，是Bi0.5Sb1.5Te3获得所有组分中最大的m*以及超高热电功率因子（~5.5 mWm-1K-1）的重要电子结构起源。该研究为(Bi,Sb)2Te3体系的体能带结构解析提供了新见解，也为进一步优化其热电性能提供重要的实验和理论指导。
学校材料复合新技术国家重点实验室作为该文的第一通讯单位，唐新峰教授和柳伟研究员为通讯作者，博士生程睿为论文第一作者，博士生葛浩然为共同第一作者。原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn9959
Mg3Sb2基材料是一类新型近室温热电材料，具有环境友好、组成元素地壳丰度高、机械性能高等显著优点，被认为是替代商用Bi2Te3基热电材料的最佳候选者。然而，如何大幅度优化p型Mg3Sb2基材料的电性能是热电领域面临的重要难题。基于多能谷和窄带隙的电子能带结构利于热电输运的基础理论，发展p型Mg3Sb2基材料的能带结构优化新策略是热电领域高度关注的前沿课题。唐新峰教授团队创新性地将凝聚态物理领域广受关注的自旋轨道耦合（SOC）效应和拓扑能带理论应用于Mg3Sb2基材料的电子能带结构设计和热电性能优化之中。通过电子能带结构的第一性原理计算和APRES精确表征，发现利用Bi元素的强SOC效应可在Mg3Sb2-xBix三元固溶组分中诱导新颖的拓扑电子结构转变，并在Mg3Sb0.5Bi1.5最优组分中创制出兼具多能谷和窄带隙特征的价带结构。Mg3Sb0.5Bi1.5的m*由本征Mg3Sb2的0.7m0提升至1.4m0，热电功率因子优化至0.7 mW m-1K-2，较本征样品性能提升了100%以上。该研究为利用拓扑电子结构转变优化热电性能提供了新思路，也为p型Mg3Sb2基材料的热电性能优化提供了重要指导。
学校材料复合新技术国家重点实验室作为该文的第一通讯单位，唐新峰教授和柳伟研究员为通讯作者，博士生谢森为论文第一作者。原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202400845
文：柳伟；编辑：曹明；审核：罗小寒
