近期，中科院合肥研究院固体所能源材料与器件制造研究部秦晓英研究员课题组在N-型Bi₂Te_2.7Se_0.3 (BTS)材料体系热电性能调控方面取得新进展。研究人员通过向BTS基体中引入少量Bi₂Se₃(BS)三维拓扑绝缘体纳米颗粒同时实现材料功率因子的大幅增加和热导率的显著下降，使含0.3vol.%BS的复合样品的最大ZT（热电优值）达到1.28 ( 373K)，在300-522K温区内的平均ZT达到了1.16。相关工作以 “Enhanced power factor and thermoelectric performance for n-type Bi₂Te_2.7Se_0.3 based composites incorporated with 3D topological insulator nanoinclusions” 为题发表在材料能源类顶刊 Nano Energy ( 2020，DOI:  10.1016/j.nanoen.2020.105512 )上。

 热电技术作为有望解决能源问题的新途径近年来引起广泛关注。热电材料的转化效率由无量纲量ZT表示，ZT=PF？T/k = (S²n) (eT) μ/k, 其中PF为功率因子(PF=sS², S 为热电势，s为电导率)，μ是载流子迁移率，n是载流子浓度，e为电荷，k是热导率，T为绝对温度。Bi₂Te_2.7Se_0.3 (BTS) 是一种理想的N型热电材料，但是其低于P型热电模块的热电性能制约了热电器件的进一步商业应用。目前，对BTS热电性能的优化主要集中在降低材料的热导率，而块体材料的热导率存在非晶极限。因此，找到一种新的策略来提高BTS的功率因子尤为重要。然而，由于S, s, n, μ 和 k 等参数相互耦合，使得提高BTS的功率因子面临巨大挑战。

为此，科研人员尝试通过向BTS中引入三维拓扑绝缘体纳米颗粒Bi₂Se₃(BS)来同时实现功率因子的提高和热导率的下降 (复合样品的微结构表征如图(1))。向BTS体系中引入BS拓扑绝缘体纳米颗粒具有以下优点：(1) 纳米尺度(<80nm)的拓扑绝缘体BS由于其拓扑态的贡献具有较高的迁移率 (室温时大约600 cm²V^-1s^-1)，复合后有望提高材料整体的迁移率(如图2(b)和(c))；(2) BS与BTS具有相同的菱形晶体结构 (空间群 R-3m, 166)，向BTS中引入BS后会形成共格相界，可以减少界面对电子的散射保证复合样品具有高的迁移率；(3) BS 与BTS具有相似的电子结构，使得界面处可以形成合适的界面势进而由能量过滤效应提高材料的热电势 (如图3 (a))。分析发现，由于上述原因，在BTS中仅引入0.3 vol.%的BS可以使功率因子PF提高约36%, 总热导下降约16%。最终，材料的最大ZT达到了1.28 (375K)，300-522K温区内的平均ZT达到了1.16，较BTS分别提高了 62% 和59%。该工作的第一作者为博士生Bushra Jabar，这项工作对于N型碲化铋合金热电性能的调控研究具有重要意义。

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105512

 上述工作得到国家自然科学基金的支持。

图1. 0.3vol%Bi₂Se₃/Bi₂Te_2.7Se_0.3复合样品的TEM微结构表征。