材料内部微觀載流子和聲子的輸運特性使得熱電材料具備實現熱能和電能直接相互轉換的能力。基于塞貝克效應和帕爾貼效應，熱電轉換技術在溫差發電和固态制冷方面有着良好的應用前景。硒化亞銅（Cu₂Se）是一種具有“聲子液體-電子晶體”特征的新型快離子導體熱電材料，具有較高的熱電優值。然而，亞銅離子的遷移性導緻了Cu₂Se存在穩定性差、遷移率低的問題，不利于實際應用。

近期，beat365林元華教授團隊提出原位複合效應結合界面優化的策略同步提升快離子導體Cu₂Se的穩定性和熱電性能。研究采用自蔓延高溫合成方法原位複合铋銅硒氧（BiCuSeO）基含氧化合物材料提升Cu₂Se的穩定性和力學性能。在此基礎上，引入适量石墨烯調制電-聲輸運行為，實現熱電性能的顯著提升。最終，Cu₂Se-BiCuSeO-石墨烯複合熱電材料的ZT峰值可達2.82（1000 K）且在473 K-1000 K範圍内的平均ZT值可達1.73，是該體系目前報道的最高性能（圖1）。本策略簡單有效，有利于實現大規模工業化制備，為其在中高溫區廢熱回收及溫差發電的應用奠定研究基礎。

圖1.熱電優值

原子尺度下的界面結構分析（圖2）表明BiCuSeO與Cu₂Se原位複合後，在BiCuSeO的晶格中存在額外的Cu-Se層與Cu層。部分易遷移的亞銅離子被束縛在該結構中，限制了亞銅離子的長程遷移從而提高了Cu₂Se的穩定性。此外，不同相之間的界面平滑且在特定方向呈現共格特征，有利于載流子輸運同時增強對聲子的散射作用。

圖2.原子尺度界面結構

電學方面，适量石墨烯的引入可有效提升材料的遷移率，從而電學性能得到了大幅提升（圖3）。遷移率的提升一方面是由于石墨烯本身具有較高的遷移率，另一方面是由于适量的石墨烯在複合材料中構建了快速導電通路。

圖3.電學輸運性能

熱學方面，适量石墨烯的引入增強了對聲子的散射作用，由聲速測試計算可知聲子平均自由程降低。采用非彈性中子衍射技術得到聲子态密度，并由此分析聲子态密度重疊因子的變化，進一步說明界面在聲子輸運中的作用（圖4）。

圖4.熱學輸運性能

相關成果以“複合效應實現Cu2Se基材料的高熱電性能”（Compositing effects for high thermoelectric performance of Cu₂Se-based materials）為題，近日在線發表于國際著名期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上。

beat365博士後、清華大學水木學者周志方為論文的第一作者，清華大學林元華教授、北京化工大學蘭金叻教授為論文的通訊作者。論文的重要合作者還包括清華大學南策文教授，南方科技大學何佳清教授、黃亦博士、何東升高級工程師，澳大利亞核科技組織（ANSTO）的于德洪（Dehong Yu）博士，以及清華大學魏賓博士後、楊嶽洋博士和鄭雲鵬博士等。研究得到國家自然基金委科學中心、面上項目等的資助。

論文鍊接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-38054-y