近日，北航9999js金沙老品牌周苗教授与合作者在层状化合物热电材料的理论设计方面取得重要进展，相关成果以“Band Degeneracy and Anisotropy Enhances Thermoelectric Performance from Sb₂Si₂Te₆ to Sc₂Si₂Te₆”为题在《Journal of the American Chemical Society》上发表。

热电能源转换技术，这一将废弃热能直接转化为电能的革命性手段，正逐步解锁发电与制冷领域的无限潜能。在评估热电材料效能的核心标尺—无量纲热电优值 ZT= S2σκe+κlT 中，ZT 值越高意味着能量转换效率越大。然而，要达成这一目标，科研人员需在高电导率、高塞贝克系数和低热导率之间寻找一个微妙且复杂的平衡点，这无疑极具有挑战性。近年来，层状结构的化合物凭借其独特的物理性质，尤其是低热导率和各向异性电子传输特性，成为了热电领域研究的焦点。在众多层状热电材料中，A₂B₂Q₆家族的层状二维结构脱颖而出，其中，Sb₂Si₂Te₆作为典型代表，已显示出卓越的热电性能，在823 K时实现了高达1.08的ZT值。尽管如此，其功率因子相较于传统铅基材料仍有待提升，成为限制其广泛应用的关键因素。

周苗教授及其合作团队在最新的研究中，通过元素替代策略，将Sb₂Si₂Te₆的p型导带转变为Sc₂Si₂Te₆的d型导带，实现了带隙工程的重大突破。该研究发现尽管Sb₂Si₂Te₆表现出了更优异的电导率和更低得晶格热导率，但Sc₂Si₂Te₆在1000 K下的ZT值预期可达3.51，远超Sb₂Si₂Te₆的2.76。这一突破性的提升，归功于Sc₂Si₂Te₆的能带结构特性—由Sb的p轨道转变为Sc的d轨道，不仅显著增强了能带简并效应，还促进了电子传输的各向异性，直接导致塞贝克系数大幅提升，最终成就了更高的ZT值。

该团队的研究不仅系统性地比较了Sb₂Si₂Te₆与Sc₂Si₂Te₆的热电性能差异，更重要的是展示了能带工程策略，特别是通过元素替换，在热电材料设计中的决定性影响力。Sc₂Si₂Te₆的非凡表现，不仅预示着其在热电转换应用中的广阔前景，也为探索高性能热电材料提供了一个全新的视角。展望未来，科研团队将继续深化探索，致力于缺陷工程与掺杂策略的优化，旨在将理论预测的高性能在实际应用中完美兑现，推动热电技术向着更加高效、环保的未来迈进。

该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，浙江省自然科学基金，北航国际博士生联合培养基金，欧洲研究理事会等支持。9999js金沙老品牌博士生窦文珍为第一作者，9999js金沙老品牌周苗教授、伦敦大学学院David O. Scanlon教授和哈佛大学助理研究员Seán R. Kavanagh为共同通讯作者，北航为第一单位。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c01838