科技进展

上海微系统所在热电材料电子结构研究领域取得重要进展

  

中科院超导电子学卓越创新中心、上海微系统所信息功能材料国家重点实验室沈大伟研究员团队和浙江大学物理系郑毅研究员课题组合作,利用超高分辨角分辨光电子能谱和极低温量子输运测量两种互补技术首次实现了对目前保持着热电优值最高纪录的热电材料SnSe的精细电子结构表征,并成功利用“缺陷工程”实现了对该材料电子结构和热电性能的有效调控,为进一步利用能带工程合成和改进高效能热电材料提供了必要依据。相关论文Defects controlled hole doping and multivalley transport in SnSe single crystals发表于Nature Communications[9, 47 (2018)]

该研究发现SnSe的低能电子结构兼具独特的“多谷峰型 (multivalley)”能带与类似石墨烯的线性色散(图1所示)。前者可以极大增强材料的赛贝克(Seeback)系数,后者会导致材料中的电子有效质量减小进而有效增强材料的电导率,而两者的共同作用使得SnSe材料的热电优值得到了极大增强。在此基础上,该研究提出了可以从微观机理角度理解与寻找高热电优值材料的“布丁(pudding-mould)”模型,这也是人们首次可以从电子结构的角度理解SnSe中非同寻常的热电物性。此外,研究还通过人为引入可控的SnSe2杂质态和点位错,实现了在保持原有基本物性基础上的对SnSe材料中载流子浓度的有效调控,为将来利用“缺陷工程 (defect engineering)”这一成熟有效手段合成和改进高效能热电材料开辟了新的理论方向和技术基础。

浙江大学物理系王震和中科院上海微系统所博士研究生樊聪聪等人为论文共同第一作者,中科院超导电子学卓越创新中心沈大伟研究员与浙江大学物理系郑毅研究员为论文的共同通讯作者。该工作获得了基金委国家重大仪器专项(项目批准号:11227902)等项目的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-017-02566-1

利用高分辨角分辨光电子能谱测量得到的SnSe单晶低能电子结构:多谷峰型能带与类似石墨烯的线性色散;以及在此基础上提出的可以从微观机理角度理解与寻找高热电优值材料的“布丁(pudding-mould)”模型。