編輯總結
熱電材料是一種能夠相互轉換熱能和電能的材料，因此該材料在發電和制冷方面均有應用潛力。本文對這一領域的最新進展進行了綜述，盡管錫硒化物是一種狹帶隙半導體，此類材料并不是一個明顯的熱電材料選擇。然而，十年前，錫硒化物被證明具有很高的熱電效率。這一發現以及對該化合物的進一步改良，對于開發新一代熱電材料和設備至關重要。——Brent Grocholski
背景介紹
熱電材料是能夠實現熱能與電能相互轉換的材料，因其在發電和制冷方面的廣泛應用而成為研究熱點。近年來，錫硒化物（SnSe）作為一種狹帶隙半導體，因其意外的高熱電效率引起了廣泛關注。然而，盡管SnSe在實驗室規模下展現出卓越的熱電性能，其在器件構建和工業應用中仍面臨效率和穩定性不足的挑戰。為了解決這些問題，研究者們不斷探索提高材料性能的方法，并加強器件設計。為了解決上述問題，北京航空航天大學趙立東教授和美國西北大學Mercouri G. Kanatzidis教授等人在Science期刊上發表了題為“The development and impact of tin selenide on thermoelectrics”的最新綜述論文。他們對熱電材料的發展進行了綜述，特別關注SnSe的研究進展。他們指出，SnSe的優異特性主要源于其低熱導率和高載流子遷移率。這一突破促使了大量研究，以深入理解SnSe的熱傳輸機制，包括多電子帶的協同作用、三維電荷和二維聲子傳輸等。此外，研究還探討了氧化物去除和晶格平面化對熱電性能的影響。
本文亮點
（1）綜述了熱電材料的最新進展，特別是錫硒化物（SnSe）在發電和制冷方面的應用潛力。研究表明，SnSe因其低熱導率和高載流子遷移率而具有優異的熱電效率，成為當前熱電材料研究的熱點。（2）綜述通過分析電和熱傳輸的基本原理，揭示了熱電材料性能提升的機制。首先，復雜的電子結構有利于電傳輸，而大單元晶胞和復雜的晶格結構則降低熱導率，這種特性有助于發現新的熱電材料。其次，SnSe的研究促進了對多電子帶及其協同作用的深入理解，并探討了三維電荷和二維聲子傳輸的相互關系，這些發現為其他熱電材料的研究提供了重要指導。（3）盡管SnSe材料在實驗室中表現出優異的熱電性能，但在器件構建方面仍處于起步階段。當前，n型SnSe的開發不及p型材料，界面工程的改進對提升器件效率和穩定性至關重要。（4）展望未來，熱電材料的研究將更加強調機器學習、高通量材料設計及跨學科協作。提高材料性能和穩定性的同時，深入探索器件設計與應用場景，以推動熱電產業的發展并實現其在可再生能源技術中的潛力。整體而言，SnSe的發展激勵了對其他熱電材料的探索，為材料科學的進步提供了新的視角。
圖文解讀
圖 4. 用于獲得高平面外性能的 3D/2D 傳輸和 DPM 策略 
圖 5. 用于熱電研究的微結構構造
結論展望
在過去十年中，熱電學領域經歷了快速發展，尤其是錫硒化物（SnSe）等材料的發現和改進。這一時期標志著熱電材料開發的重要里程碑，深化了我們對驅動高熱電性能的基本理解，以及這種理解在能源管理、節能及各類科學和技術領域可能產生的廣泛影響。SnSe以其有利于熱電傳輸的固有物理特性而聞名，包括強非諧性、復雜的電子能帶、三維/二維傳輸、對氧化的敏感性和缺陷誘導的調控，成為了一種重要材料，展現出在發電和固態制冷方面的巨大潛力。此外，研究工作已經多樣化，探索具有SnSe類似特性的熱電材料。這一進展也推動了其他科學和技術領域的進展，拓寬了熱電學的應用范圍，促進了其在材料科學、物理、化學、生物醫學、電子學、焊接、連接、封裝和系統設計等領域的應用。 展望未來，解決優化熱電材料的關鍵問題將是推動這一動態領域進一步創新的關鍵。然而，盡管設備商業化仍然是最終目標，但要實現熱電技術的全部潛力仍面臨諸多挑戰。考慮到在大多數情況下相對較低的溫差（ΔT），提高低品位發電和室溫制冷的效率對于擴展這些材料的應用范圍至關重要。因此，室溫載流子-聲子解耦需要更多關注。晶格平面化似乎提供了一種解決方案，盡管其有效性仍需在更多系統中進行驗證，以最大化性能。p型SnSe晶體的室溫ZT值約為1.5，已顯示出在材料特性方面相較于商業化（Bi, Sb）?Te?的優勢，為低成本、輕量和豐富元素的制冷提供了有希望的替代方案。然而，高性能可能伴隨著機械強度差和復雜加工的問題，尤其是在SnSe類層狀或晶體熱電材料中。盡管單晶生長面臨顯著挑戰，包括機械性能差、高時間和經濟成本以及嚴格的生長條件，但低成本的自下而上的化學方法在合成具有可控微觀結構和良好熱電性能的多晶SnSe方面顯示出潛力。然而，多晶SnSe仍然面臨低到中溫性能不足的挑戰，嚴重限制了其潛在應用。了解這些權衡對于確定其應用范圍的廣泛程度至關重要。SnSe在高溫熱電性能方面的表現令人印象深刻，使得開發能夠在高溫下運行的穩定發電機變得具有吸引力。通過進一步控制電子結構以及保持高溫下的最佳載流子濃度，可能期望達到高達4的峰值ZT值。關注高溫Cmcm相的傳輸特性將會是一個有趣的研究方向。然而，高溫相變可能導致器件內部出現裂紋和失效。適當的成分設計以調整相變溫度，以及設計器件的內部結構，以確保SnSe材料在單相溫度范圍內運行，將是關鍵考慮因素。熱膨脹、機械脆弱性以及在高溫下的熱穩定性和化學穩定性都是需要解決的重要問題，這也意味著需要對SnSe基材料和器件的相結構工程、機械性能改善以及保護涂層或真空封裝技術進行更多研究。 界面結構是影響器件穩定性和轉換效率的另一個關鍵方面。工程化穩定的低電阻接觸，以承受高溫而不降解，對于優化器件效率和服務穩定性至關重要。關于相圖的理論計算可能對快速設計年輕候選熱電材料（如SnSe）的界面有效，而最近開發的技術，如納米銀燒結、激光涂層、擴散焊接和弧焊，為器件中高剪切強度和高穩定性的連接提供了潛在解決方案。考慮到熱電技術的應用有限且效率不佳，利用高可靠性、快速響應和可定制尺寸等特性擴展應用范圍至關重要。探索熱電材料在可穿戴、集成和微型化電子產品等用例中的應用可能會取得積極成果。基于SnSe和其他熱電材料開發多維度的高效器件可能會提供意想不到的效率。SnSe也在二維異質結構和拓撲絕緣體等領域獲得了認可并引起了興趣。這些新興領域中SnSe的發展可能為利用其熱電特性提供更多途徑，并為跨學科研究打開不同的領域。熱電材料在過去十年經歷了一場新的革命，現在是時候創造性地思考它們的應用。Bingchao Qin et al. ,The development and impact of tin selenide on thermoelectrics.Science386,eadp2444(2024).DOI:10.1126/science.adp2444
