論文原文鏈接：
http://science.sciencemag.org/content/360/6390/778
熱電轉換技術是一種利用半導體材料直接將熱能與電能進行相互轉換的技術。熱電轉換效率是衡量熱電材料性能的關鍵指標，它主要取決於材料的性能平均ZT優值。複雜互動的熱電參數關係使得實現高熱電優值ZT成為一個巨大的挑戰。通過協同調控電傳輸和熱傳輸的關係來實現ZT值淨增長(netZT)的方法層出不窮：引入點缺陷、位錯、納米沉積、基體納米化、能帶結構調控、電-聲-磁協同調控、調整晶體結構對稱性、界面（晶體結構、能帶結構和顯微結構）控制、有機-無機複合、相轉變、高熵、多尺度化學鍵設計和尋找具有複雜晶胞、非諧振效應、類液態聲子傳輸、孤對電子等特點的低熱傳導材料等。
趙立東課題組研究發現具有層狀結構的SnSe的二維界面對聲子具有強烈的散射作用(圖1左)，使得SnSe沿著層間方向具有很低的熱導率，在773K溫度下可達最小理論值~0.18 W/mK。在聚焦SnSe層間低熱導率的基礎上，如能在此方向上實現高的電傳輸性能，則可實現高的熱電性能。
圖1.“二維聲子/三維電荷”傳輸顯著提高n型SnSe的熱電性能：層間界面散射阻礙聲子傳輸產生超低熱傳導；連續相變引起的多導帶簡併和退簡併優化了遷移率和有效質量；大的電荷密度使得電子(n型)易於空穴(p型)傳輸。
SnSe材料在800K溫度點存在一個從Pnma到Cmcm的相變，經過同步輻射實驗測試發現該相變從600K便開始持續發生。利用該持續相變特性，通過調整電子摻雜濃度可將輕導帶和重導帶經歷一個簡併收斂和退簡併收斂的過程。利用這一過程，恰好優化了遷移率和有效質量的乘積(mm) (圖1中)，使得SnSe在整個溫度範圍內都保持較高的電傳輸性能。通過電子摻雜後Sn和Se的p軌道在導帶底會產生電子離域交疊雜化，使得n型SnSe的電荷密度增大到足以填滿層間空隙，實現了層間電子的隧穿(圖1右)。
這一現象可簡單描述為：本徵的SnSe的層狀結構就像一堵牆，可以同時阻礙聲子和載流子(電子和空穴)的傳輸。但通過重電子摻雜後，導帶底的電子離域雜化現象增大了電荷密度，在牆和牆之間為電子量身定製了一條傳輸的隧道，如圖2所示。在大電荷密度的基礎上，加之連續相變引起的能帶結構變化和晶體對稱性的提高三個主要因素使得SnSe在層間方向表現出優異的電傳輸性能，當溫度高於700K時，SnSe的層間方向產生了比層內更優異的“三維電荷”傳輸效應。這種“二維聲子/三維電荷”傳輸特點大幅提高了n型SnSe的熱電性能（感謝德國Netzsch公司和中國Cryoall公司出具的第三方性能檢測報告）。
圖2.“二維聲子/三維電荷”傳輸圖示：(a)導帶底的電子產生離域雜化，增大電荷密度，為電子在層間傳輸提供通道，聲子和空穴受到層的界面阻擋；(b)不受軌道限制的飛機(聲子)受到高山（層界面）的阻擋，火車（電子）可以穿越隧道，而汽車（空穴）由於軌道不匹配不能穿越隧道。
閱讀更多 材料material 的文章
