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热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，塞贝克效应(Seebeck effect)和帕尔贴效应(Peltier effect)是热电能量转换器和热电制冷应用的理论依据。基于该技术制备的热电器件具有系统体积小、无运动部件、无噪声、无损耗和无污染等优点，在深空探测、固态制冷和精确控温等领域有重要应用。但由于种种限制，目前的热电材料ZT值处于1.0左右，热电转换效率较低。

近日，中国科学院理化技术研究所低温材料及应用超导研究中心与清华大学、日本国立材料研究所等研究机构合作，提出了缺陷结构演化调控热电输运性能、提升ZT值的研究策略，为实现高性能热电材料研究提供了新思路。

该研究通过调控制备工艺诱导本征Ge空位进行高维定向演化，在碲化锗材料中构建了从原子尺度的点缺陷、纳米尺度的位错和电畴到微观尺度的晶界的多级结构。研究通过DFT计算可知GeTe中的位错形成能为-38 meV/atom，理论上证实了可以通过Ge空位的调控形成大量的位错和位错网络。这显著降低了晶格热导率，实验得到Bi0.07Ge0.90Te-873的最小晶格热导率仅0.48 Wm-1K-1，接近于理论最小值。此外，高维缺陷的构建弱化了载流子散射，在不影响Seebeck系数的前提下，提高了Hall迁移率和电导率，实现了电导率与Seebeck系数的解耦，大幅提升了电输运性能。由于热导率和电学性能的解耦调控，材料的ZT值达到2.3以上的水平，且在300 K-798 K的温度段范围内获得了1.56的平均ZT值，这是目前已报道的最高值。基于该GeTe基热电材料制备了单臂热电器件，获得了144 mW的功率和1.82 Wcm-2的功率密度，优化修正后的最高转换效率达到11%。

相关成果Evolution of defect structures leading to high ZT in GeTe-based thermoelectric materials于近日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。

参考来源：中国科学院

关键词： 热电材料 热电器件 中国科学院