倪振、吕俊鹏等热电转换研究领域取得新进展

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近日，东南大学物理学院倪振华教授和吕俊鹏教授课题组与新加坡科技局材料工程研究院吴靖研究员合作，发现在基于二维Bi2O2Se的场效应晶体管中施加门电压可以调控极化光学声子散射到压电散射的转变，实现了塞贝克系数与电导率的去耦合，达到了宽温度范围的高热电功率因子。相关成果以“Gate-Tunable Polar Optical Phonon to Piezoelectric Scattering in Few-Layer Bi2O2Se for High-Performance Thermoelectrics”为题发表在材料学领域重要刊物Advanced Materials上。

        基于塞贝克效应的热电材料可以实现热能和电能的直接转换，在绿色清洁能源和低温制冷等领域有着十分重要的应用，如何提高热电材料转化效率一直是该领域研究的核心问题。热电参数之间的强耦合使得提高材料的热电性能具有挑战性。长期以来，由于载流子散射机制的复杂性，在调控载流子散射机制方面十分困难，因此常常忽略了载流子迁移率在独立增强热电性能（不牺牲塞贝克系数的情况下提高电导率）方面的作用。
       不同于目前广泛研究的石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等二维材料，二维Bi2O2Se的低声子群速度和强声子非谐散射使其具有极低的热导率(~0.92 W/mK APL 115, 193103 (2019))，同时兼具的高电子迁移率和良好的环境稳定性使得其在热电以及能源转化领域有着巨大的潜力。基于二维Bi2O2Se场效应晶体管的热电输运，二维Bi2O2Se载流子迁移率在高温下由极化光学声子散射主导，在低温下由压电散射主导。当压电散射主导时，其迁移率显著提高。同时电导率的急剧上升并没有导致塞贝克系数的明显下降，表明散射机制的调控可以实现电导率和塞贝克系数的去耦合。这与之前通过调控载流子浓度来平衡电导率和塞贝克系数的策略完全不同。同时，这种散射机制的转变温度具有高度的门电压可调性，通过施加一定大小的门电压，可以显著提高极化光学声子散射到压电散射的转变温度。热电功率因子与迁移率在两个数量级的调制上展现出近似线性的相关性，最终实现宽温度范围(80-200K)的高热电功率因子(>400mW-1m-1K-2)。
       该工作发现了通过门电压调控二维Bi2O2Se的散射机制可以有效的调节其热电性能，证明了散射机制的调控可以很好的实现热电参数之间的去耦合。高栅极可调性允许对散射机制进行精细的控制，从而揭示更深入的物理机制。对于探索低维材料应用于低温制冷和物联网自供电领域具有深远意义。
      本文第一作者为东南大学物理学院博士生杨昉，倪振华教授、吕俊鹏教授、吴靖研究员为共同通讯作者。该工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。
       论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004786


       文章来源：东南大学
       倪振华，东南大学物理学院院长，博士生导师，东南大学青年首席教授。2003年本科毕业于上海交通大学物理系，同时获得了电子科学与技术的第二专业本科学位。2007年于新加坡国立大学物理系获得博士学位。2007-2010年在新加坡南洋理工大学物理系从事博士后研究工作，并于2009年获得英国政府“Researcher exchange programme Award” 前往英国曼彻斯特大学Andre Geim教授（2010年诺贝尔物理学奖得主）研究组做访问学者。2010年加入东南大学物理学院。2011年获教育部新世纪优秀人才支持计划资助。2012年获“江苏省六大人才高峰”支持计划资助。2014年获国家自然科学基金“优秀青年科学基金”资助。2018年入选教育部“**学者奖励计划”青年学者。2015年受聘为东南大学青年特聘教授。主要研究方向为二维层状材料（石墨烯、二硫化钼、黑磷等）的光学与光电性能，发表SCI论文140余篇，SCI他引9000余次，H-index=43，授权专利13项。中国物理学会光散射专业委员会委员，Scientific Reports以及Frontiers in Condensed Matter Physics编委,<中国光学>青年编委。
       吕俊鹏，男，博士，教授，博士生导师，青年首席教授，国家“高层次人才青年计划（青千）”获得者，江苏省“双创人才”，东南大学“青年紫金学者”。


2009年7月，山东大学信息学院光信息科学与技术专业本科毕业；2013年6月，新加坡国立大学物理系物理学专业硕博连读毕业，获博士学位；2013年6月，任新加坡国立大学博士后； 2017年5月，任东南大学物理学院应用物理系教授。主要从事微纳光学、光电子学等研究工作，在低维材料激光微纳改性、低维材料微纳光电子器件和低维材料光致载流子动力学等领域取得了创新性的研究成果，并利用石墨烯、硫化钼、磷烯等二维材料研发了一系列光电器件、热电能源器件、微纳光电材料与芯片，在《Chemical Society Reviews》、《Accounts of Chemical Research》、《Advanced Materials》等刊物上发表了SCI论文六十余篇，研究成果被Science Daily、Nano Werk、R&D Magazine、Science Newline、Phy.org等科学媒体广泛报道。承担或联合承担国家自然科学基金委重大培育项目、青年项目、科技部重点研发项目、江苏省“六大人才高峰”项目等，担任半导体学报青年编委，江苏省青联委员、省青科协理事。