哈工大材料学院隋解和教授团队在热电材料性能优化与器件研制方面取得重要进展

哈工大全媒体（商艳凯 朱钰可 文/图）近日，材料学院隋解和教授团队在层状热电材料的织构构建及性能优化等方面取得了重要进展。相关成果以《机械剥离晶体堆叠的高性能层状热电材料的总体设计》（General Design of High Performance and Textured LayeredThermoelectric Materials via Stacking of Mechanically Exfoliated Crystals）为题发表在国际学术期刊《焦耳》（Joule）上。该成果为多晶层状材料热电性能提升提供了新思路。

热电转换技术是通过固体材料内部的声子和电子相互作用实现热能和电能直接转化的一种前沿科学技术，在深空探测特种电源、芯片制冷和工业余热发电等方面具有广阔的应用前景。近年来，研究人员发现，层状结构材料利用其沿层内方向的高迁移率可获得高热电性能。然而，单晶层状材料的制备时间长、成分控制难、力学性能差，而多晶材料又面临点缺陷波动复杂和强织构难以构建的问题，限制了层状热电材料的实际应用。

基于层状材料中范德华层间易解理的特性，隋解和教授团队提出了层状晶体堆叠热变形新方法并在多个材料体系中构筑了强织构、提升了热电性能，其中在N型碲化铋材料中获得了超高功率因子和高热电优值，研制的发电模块在250开尔文（K）的温差下转化效率达到6.4%，制冷模块在热端350开尔文（K）条件下实现87开尔文（K）的制冷温差。

哈工大为该论文的唯一通讯单位，材料学院博士生朱钰可、孙雨鑫为共同第一作者，刘紫航教授、隋解和教授为通讯作者。材料学院蔡伟教授、郭逢凯副教授，博士生董行严、刘明、吴昊、李傅杉，硕士生郭振涛、王星粤，本科生俞快；深圳校区张倩教授、尹力博士；西华大学郭沐春博士参与相关研究工作。

该研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金、黑龙江省头雁团队等项目资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435124002344

图1 a为层状晶体堆叠热变形示意图，b为碲化铋块体样品的X射线衍射，c为碲化铋材料的热电优值，d为碲化铋基发电器件的转化效率，e为碲化铋基制冷器件的最大制冷温差

图2 a和b为碲化铋材料的热导率和频谱晶格热导率，c和d为粉末冶金和层状晶体堆叠热变形碲化铋材料的背散射电子衍射结果，e-k为层状晶体堆叠热变形碲化铋材料在透射电子显微镜下的微观结构