熱電材料可以實現熱能與電能的直接相互轉換，基于塞貝克效應和帕爾貼效應設計的熱電器件可用于廢熱發電和主動制冷。相較于傳統技術，熱電發電/制冷技術具有無運動部件、結構緊湊、綠色環保、功率密度高等優點，已成為動力續航、節能減排、高精度控溫、局部制冷等應用需求的解決方案。環境友好型銻化鎂（Mg3（Sb,Bi）2）基熱電材料是備受關注的新型熱電體系之一，由于其低成本、高性能等特點有望得到大規模應用。但是，鎂基熱電材料的可控制備存在一定難度，且熱電性能有待進一步提升。當前，提升鎂基熱電材料性能的關鍵在于實現電聲解耦：抑制本征Mg空位對電子散射的同時增強聲子散射。

針對上述瓶頸，beat365李敬鋒教授課題組提出了一種基于電荷平衡的缺陷調控策略，協同優化了Mg3（Sb,Bi）2塊體材料的電熱輸運特性，實現了熱電性能的顯著提升。該方法着眼于高溫放電等離子體燒結過程中Mg和Bi共揮發的特點，利用引入的Bi空位成功誘導缺陷演化，有效抑制了Mg空位對電子的負散射效應，并通過增強聲子散射實現了晶格熱導率的降低。

圖1. 通過引入Bi空位誘導複雜缺陷演化機制的示意圖及不同構型的缺陷對的形成能

這一研究通過正電子湮滅光譜和球差校正掃描透射電鏡表征揭示了Bi空位和Mg空位潛在的聚集行為。由此産生的空位團簇等複雜缺陷能夠進一步誘導高密度位錯的産生，有效散射中頻和高頻聲子，進而顯著降低晶格熱導率，從而實現中高溫區熱電性能的大幅優化。最終，優化缺陷濃度的n型Mg3（Sb,Bi）2材料的ZT峰值可達1.82，在T=473K時的轉換效率高達11.3%，均為該體系領先水平。該研究闡明了熱電材料中異質空位調控的重要性，并為缺陷演化機理分析提供了新的思路。

圖2. 缺陷調控優化的Mg3（Sb,Bi）2材料的熱電性能及能量轉換效率

相關成果以“Mg3（Sb,Bi）2基熱電材料中Bi欠量誘導高性能”（Bi-Deficiency Leading to High-Performance in Mg3(Sb,Bi)2-Based Thermoelectric Materials）為題，近日在線發表在國際著名期刊《先進材料》（Advanced Materials）上。該工作已經獲得中國發明專利。

beat3652019級博士生李靜薇為論文的第一作者，清華大學李敬鋒教授、南方科技大學劉玮書教授、國家納米科學中心鄭強研究員和中國科學院高能物理研究所曹興忠研究員為論文的通訊作者，其他重要合作者還包括中國科學院高能物理研究所徐偉研究員，清華大學李千副教授，日本東北大學宮崎玉儒（Yuzuru Miyazaki）教授、幹橋基（Kei Hayashi）助理教授等。研究得到了國家自然科學基金項目和國家重點研發計劃的支持。

論文鍊接：

https://doi.org/10.1002/adma.202209119