郑壮豪研究员课题组在《Nature Communications》发表研究论文揭示高度择优取向协同掺杂效应在调控热电薄膜性能的新机制

近日，威斯尼斯人物理与光电工程学院郑壮豪研究员课题组在国际权威学术期刊《NatureCommunications》发表了题为"Flexible power generators by Ag₂Se thin films with record-high thermoelectric performance "的研究成果，该工作利用Te引起的微应变和掺杂效应，在实现高择优生长取向Ag₂Se柔性薄膜可控生长的同时，引入点缺陷、界面缺陷等多类型缺陷，最终大幅度的提高了薄膜的热电性能；并进一步利用有机材料涂覆策略，提高了材料的机械性能。该研究提出了一种全新的柔性热电薄膜声电输运性能及机械性能调控的新策略和新机制。威斯尼斯人电子游戏物理与光电工程学院郑壮豪研究员为论文通讯作者，杨东博士为该论文的第一作者，威斯尼斯人电子游戏为第一通讯单位。

N型硒化银（Ag₂Se）在低温下具有稳定的正交晶体结构，是典型的窄带隙半导体，其在近室温下具有高电导率σ和低热导率κ，同时该材料体系环境友好，在可穿戴设备领域具有潜在的应用，是近年来热电领域的热点研究方向之一。但现有方法制备出Ag₂Se基热电材料仍存在热电性能低、力学稳定性差、加工工艺复杂等问题，在微纳结构控制与精准掺杂调控方面仍是一大挑战。

针对该难题，我院郑壮豪研究团队根据Gibbs-Wulff晶体生长定律，利用Te的掺杂引起的微应变和Se原子位置的替位掺杂降低Ag₂Se（00l）平面的自由能，实现高择优生长取向Ag₂Se柔性薄膜可控生长，从而调控载流子输运实现高S²σ；并利用Te掺杂所引入Te_Se点缺陷、界面缺陷等多类型缺陷的作用，强化了声子散射，显著降低了薄膜热导率，最终大幅度的提高了薄膜的热电性能（ZT值~1.27，363 K）；随后利用有机材料涂覆进一步优化了材料的机械性能（在6.3mm弯曲半径下1000次弯曲测试后ΔR/R₀<2.5%）。在20K的温差条件下，利用所制备的N型Ag₂Se薄膜和P型Sb₂Te₃组装的柔性热电器件的输出功率密度可达1.5 mWcm^-2。该研究工作对于高质量柔性热电薄膜材料及器件的研发提供了一种极有效的全新策略和技术途径。

研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金杰出青年基金、深圳市科技计划等项目支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45092-7

（来源 物理与光电工程学院）