唐国栋、张永胜：热电材料研究领域取得最新进展

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近日，我校材料学院唐国栋团队在环境友好型中温热电材料研究方面取得重要进展，提出通过引入SnTe纳米晶和能带收敛协同优化热电材料电声输运，成功获得了高性能环境友好型MnTe热电材料。相关研究成果以“High-performance eco-friendly MnTe thermoelectrics through introducing SnTe nanocrystals and manipulating band structure”为题在国际能源顶级期刊《Nano Energy》在线发表（Nano Energy, 2021, 81, 105649; https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105649)。我校为该项工作第一完成单位和通讯单位，唐国栋教授和张永胜研究员为论文共同通讯作者，硕士研究生邓后权为第一作者。

热电转换技术是一种利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的“绿色”能源技术,随着全球范围内的能源和环境问题日益突出，热电材料引起材料研究者的广泛重视。用热电材料制造的温差发电装置和半导体制冷装置具有无需传动部件、运行安静、尺寸小、无污染、无磨损、可靠性高等诸多突出优点，在温差发电和便携式制冷等领域有重要应用前景,国家、行业和企业对热电转换技术的需求十分迫切。
碲化铅热电材料由于其优异的性能在军事和航空航天领域得到广泛应用，但其有一个致命缺点-含有铅元素，对环境不友好。碲化锰（MnTe）材料具有元素无毒、来源丰富、低成本等优势，是极具发展前景的一类新型环境友好型中温热电材料。然而由于Mn（1.55）和Te（2.10）之间存在较大的电负性差异而导致的强光学声子散射降低了载流子迁移率。低载流子迁移率和低载流子浓度（1018cm-3）导致其热电性能相对较低，严重阻碍了MnTe热电材料的广泛应用。针对上述问题，研究团队分析了MnTe的多价带能带输运结构，发现MnTe中价带极大值能量差较大，认为通过调控能带，促使MnTe能带收敛，减少MnTe价带能量差，有效促进载流子的多价带传输，提升材料的Seebeck系数，显著提升功率因子，解决现有载流子浓度优化带来材料的Seebeck系数显著下降和功率因子偏低的问题。创新性地提出通过引入SnTe纳米晶和能带收敛优化MnTe基热电材料思路，研究发现具有本征Sn空位SnTe的引入导致MnTe材料载流子浓度明显提升，同时SnTe促使MnTe材料能带收敛，导致塞贝克系数显著增强，在材料中获得了高达1230 μWm-1K-2的功率因子。同时，发现SnTe纳米晶显著增强了声子散射，在材料中获得了极低晶格热导率。通过该策略解耦了MnTe的电子和声子传输，使材料在873 K的ZT值提升至高达1.4，性能超过了国际上已报道的MnTe基热电材料。该工作为高性能环境友好型MnTe热电材料研发提供了新思路。
近年来，唐国栋教授团队致力于热电转换材料与器件研究，在J. Am. Chem. Soc., Nano Energy, J. Mater. Chem. A, Chem. Mater.等高水平期刊发表论文64篇。该团队近几年在高性能SnSe热电材料研究（J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 499；Nano Energy, 2018, 53, 683；J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13647）；高效环境友好型SnTe热电材料研究(Nano Energy, 2020, 67, 104261; Nano Energy 2020, 73, 104832)等领域取得了一系列高水平创新性成果，发表影响因子大于10的期刊论文10篇。目前，该团队已承担国家自然科学基金面上项目等17项科研项目，包含国家自然科学基金项目3项、省部级项目5项。


        文章来源：南京理工大学
        唐国栋教授，博士，南京理工大学材料学院副教授。2011年获南京大学凝聚态物理博士学位。2011年7月开始在南京理工大学材料科学与工程学院从事教学科研工作。主要研究方向：高性能热电转换材料的性能及其相关机理研究；先进功能陶瓷材料的制备和性能研究。在APL、EPL和JAP等国际一流物理期刊上公开发表SCI论文二十六篇。其中以第一作者发表SCI论文二十篇。曾参与国家973项目“低维自旋体系的量子效应及其调控”子课题，国家973项目“超导材料科学及应用中的基础问题研究”子课题，国家973项目 “若干关联系统中多重量子序的共存、竞争与调控研究”子课题的研究。现主持国家自然科学基金一项，江苏省自然科学基金青年基金一项，中国博士后科学基金特别资助一项，中国博士后科学基金一项，江苏省博士后科学基金一项，南京理工大学科研启动项目一项，并入选南京理工大学“卓越计划、紫金之星”优秀青年教师培养对象。