热电转换技术是一种利用半导体材料的塞贝克（Seebeck）效应、帕尔贴（Peltier）效应直接将热能与电能进行相互转换的技术。该技术可以实现能源转换与利用，同时可以精准测控温度；它还是一种新颖的主动热控技术，这为高功率密度器件散热和高效热排散提供了新技术手段。由于热电转换技术具有不可替代性而又极为重要，世界强国无不在这一领域全力投入，以致近年来在世界范围内掀起了热电能源材料的研发热潮。热电转换效率是衡量热电材料性能的关键指标，它主要取决于材料的性能zT优值。从定义zT= (S2σ/κ)T可见，在一定的温度T下，高效热电材料应具有大的温差电动势S(产生大的电压)，优异的电导率σ(产生小的焦耳损耗)和低的热导率κ(产生大的温差)。但这几个热电参数之间存在复杂的互动关系，复杂互动的热电参数关系使得实现高热电优值zT成为一个极大的挑战。
为了解决这个问题，谭明教授团队以Bi-Sb-Te系列为研究对象（如图1所示），进行晶体结构-反位掺杂协同调控，严格调控沉积基底温度，当沉积温度为473K时，制备的Bi0.5Sb1.5Te3薄膜的XRD测试结果表明该晶体沿（0 1 5）面择优定向生长，这为载流子输运提供择优路径，从而提升了载流子迁移率。此外，成分是影响材料性能的另一重要因素，通过计算发现Bi&Sb-Te反位共掺杂形成能最低，即Bi&Sb-Te反位共掺杂容易发生（见图2）；经过实验进一步证实了薄膜中存在Bi&Sb-Te反位共掺杂，正是这种反位掺杂可以释放更多的电子，即导致空穴浓度降低，因而使得薄膜的功率因子S2σ大幅提升；另Bi/Sb-Te原子反位掺杂致使载流子有效质量增加，同时促使Bi0.5Sb1.5Te3基半导体的费米面向价带飘移、使其成为高度简并态半导体。综上所述，协同调控了电传输和热传输，实现了zT值净增长，在沉积温度473K制备的p-Bi0.5Sb1.5Te3基薄膜拥有高室温性能zT≈1.5，这比其它的p型半导体薄膜的热电性能都要优异。
本研究表明晶体结构-Bi/Sb-Te反位掺杂协同调控是优化能带结构和提高Bi0.5Sb1.5Te3基材料zT值的有效手段，为制备高性能薄膜电源、制冷器和传感器奠定了基础。这种半导体薄膜在微型隐身飞行器、士兵微气候控制系统，健康状态监控的感应器，芯片热管理，可穿戴电子器件充电以及废热利用发电等方面有巨大的应用市场。
该研究成果以题为“Synergistic texturing and Bi/Sb-Te anti-site doping secure high thermoelectric performance in Bi0.5Sb1.5Te3-based thin films”的研究论文发表在国际能源顶级期刊Advanced Energy Materials上。研究成果主要由谭明教授团队和澳大利亚昆士兰大学、南昆士兰大学的陈志刚教授团队合作取得，北京航空航天大学邓元教授也参与了此项研究工作，河南农业大学为该成果所属第一单位。该研究得到了国家自然基金面上项目（61474082）和河南农业大学拔尖人才科研专项（20190703Y00005）及河南省科技攻关项目（202102210047）等项目的支持。
编辑/王景隆 签审/李丹