热-电能源转换技术是在外场（温度场）作用下利用固体内部载流子定向迁移，实现热能与电能直接转换，因此是一种典型的清洁能源技术。热电器件的输出功率取决于材料在工作温度区间的电输运性能，因此提高材料在宽温域内的电输运性能是提高热电器件性能的关键。然而，宽温域电输运性能优化并不容易实现，传统的静态掺杂方式仅能够优化单一温度点的载流子浓度。在前期的研究工作中，骆军教授课题组发现了“动态原子”Cu掺杂的PbSe体系具有一系列新奇的电热输运性能，并提出了热电材料的“dynamic doping”概念（Energy & Environmental Science 2018, 11, 1848-1858），该工作揭示了“dynamic doping”有望作为一种基础的掺杂手段优化体系在宽温域的载流子浓度，从而优化电输运性能。然而，在Cu掺杂的PbSe体系中，体系载流子浓度尚未达到理论最优值。因此，如何对“动态掺杂”加以有效调控，实现最优载流子浓度调控效果，成为该小组继续关注的焦点。
通过调整阴离子平均半径，控制四面体间隙尺寸及间隙Cu的固溶区，实现Cu离子动态掺杂的有效增强。
最近，该小组在前期工作的基础上，进一步研究发现FCC结构中的四面体间隙尺寸可能是影响Cu掺杂PbX (X=S，Se，Te)体系动态掺杂效应强弱的关键因素。因此，提出利用“间隙工程”的思路，通过改变FCC结构铅硫族化合物的阴离子平均半径，调控其四面体间隙尺寸及间隙Cu固溶区，从而实现Cu离子动态掺杂的有效增强（如图所示）。实验结果表明，随着四面体间隙尺寸的减小，Cu原子动态掺杂效应愈加明显，具有最小四面体间隙的PbTe体系的动态效应明显强于PbSe、PbS体系。因此，PbTe-Cu体系的载流子浓度在测试温度区间内得到了完美优化。此外，他们还发现动态掺杂效应只会提高基体材料的载流子浓度，对载流子的散射机制以及能带结构影响甚小，因而在材料载流子浓度优化的同时，体系依然保持较高的迁移率。综合以上两点，Cu掺杂PbTe在宽温域内的电输运性能达到理论最优值。最终，0.2 at%的Cu掺杂的n型PbTe样品在测试温区平均功率因子达到29 ?W﹒cm-1﹒K-2，是传统I掺杂PbTe体系的两倍。
该研究不仅深入揭示了影响“dynamic doping”效应的微观机理，同时还提出了调控和有效利用“dynamic doping”的可行性手段，对于在其他热电体系中利用“动态掺杂”概念优化宽温区性能具有指导意义。研究结果发表在Energy & Environmental Science 2019, 12, 3089-3098（影响因子33.25），bg大游官网官方平台为第一单位，bg大游官网官方平台材料科学与工程学院博士生游理与副研究员张继业为共同第一作者，bg大游官网官方平台材料科学与工程学院骆军教授、美国休斯顿大学德州超导中心任志峰教授、南方科技大学物理系张文清教授为论文的共同通讯作者。相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目、上海市科委研发平台专项等课题的资助。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C9EE01137D#!divAbstract
