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熱電材料是一種利用廢熱發(fā)電以及用電制冷的環(huán)境友好型材料，利用其體積小、無污染等優(yōu)點(diǎn)可替代傳統(tǒng)的制冷壓縮機(jī)，實(shí)現(xiàn)制冷設(shè)備小型化；尤其是物聯(lián)網(wǎng)，傳感器等的應(yīng)用對(duì)室溫?zé)犭娦阅芴岢鲚^高的需求。

熱電性能由無量綱參數(shù)ZT值描述，，其中S為塞貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，T為熱力學(xué)溫度，κ_tot為總的熱導(dǎo)率。然而，具有本征高性能的室溫?zé)犭姴牧线€比較稀缺，一般需要對(duì)材料進(jìn)行摻雜優(yōu)化等方式調(diào)節(jié)室溫?zé)犭娦阅?。但是隨著摻雜濃度增加，提高S的同時(shí)會(huì)增加載流子的散射，降低載流子遷移率（μ），惡化σ。因此S和μ之間的協(xié)同優(yōu)化，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

BiTe是[Bi₂]_m[Bi₂Q₃]_n家族（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 12536?12543.）中的一員，其晶體結(jié)構(gòu)由金屬性的[Bi2]雙鉍層次結(jié)構(gòu)以及半導(dǎo)體性質(zhì)的[Bi₂Te₃]層次結(jié)構(gòu)沿晶體c軸堆積而成，表現(xiàn)了拓?fù)渚w絕緣體以及弱拓?fù)浣^緣體的雙重行為。但是由于組成元素之間存在自旋軌道耦合（SOC）效應(yīng)，BiTe在第一布利淵區(qū)Γ-A方向能帶軌道組份反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生0.1 eV的帶隙，致使其ZT峰值出現(xiàn)在中高溫區(qū)域（550 K）。北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院吳立明教授和陳玲教授研究發(fā)現(xiàn)由于Sb元素質(zhì)量較輕，相比BiTe，化合物SbTe具有較弱的SOC效應(yīng)。對(duì)BiTe進(jìn)行Sb摻雜，可以抑制Γ-A區(qū)間的能帶反轉(zhuǎn)，從而減小材料能隙。實(shí)驗(yàn)研究表明，Sb摻雜到BiTe晶體結(jié)構(gòu)中的Bi位點(diǎn)，不僅消除了能帶反轉(zhuǎn)，還實(shí)現(xiàn)S和載流子遷移率（μ）的協(xié)同優(yōu)化。當(dāng)x = 0.2, 0.3, 0.4時(shí)，價(jià)帶和導(dǎo)帶出現(xiàn)能量分別為-0.038，-0.10和-0.11 eV的重疊（E_ol），導(dǎo)致Bi_1-xSb_xTe的S峰值向室溫移動(dòng)了150 K，從525、425 K降低到376 K。

電子結(jié)構(gòu)計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，隨著x變化，CB_Γ-A的成分不再以[Bi₂]金屬層的貢獻(xiàn)為主（x = 0，占比90 %），而是以半導(dǎo)體層的貢獻(xiàn)為主（x = 0.4，占比97 %）；而價(jià)帶VB_Γ-A成分也從半導(dǎo)體層為主（x = 0，占比97 %），變?yōu)橐越饘賹訛橹鳎▁ = 0.4, 占比77 %）。同時(shí)能帶組成變化，也影響了軌道成鍵特性。當(dāng)x = 0時(shí)，BiTe的CB_Γ-A主要由p_x, p_y形成的π*鍵組成；而x = 0.4時(shí)，Bi_1-xSb_xTe的CBΓ-A主要由p_z軌道的σ*鍵組成。相比π*鍵，σ*鍵軌道重疊程度更大，使得CB_Γ-A能帶斜率增大，有效質(zhì)量從3.47 me減小到0.5 me，這樣室溫μ從58增加到了92 cm² V^-1 s^-1。Sb摻雜消除能帶反轉(zhuǎn)、增加費(fèi)米能級(jí)附近DOS斜率((dn(E))/dE)，降低載流子濃度，使得S從33增加到124 μV/K。由于S和μ的協(xié)同優(yōu)化，Bi_1-xSb_xTe的室溫PF值提高約3倍。此外，基于二階力常數(shù)以及三階力常數(shù)的材料聲子譜研究，發(fā)現(xiàn)Sb摻雜有效地減小聲子壽命、增強(qiáng)非簡諧振動(dòng)，降低晶格熱導(dǎo)率，從而將Bi_0.6Sb_0.4Te的室溫ZT值提高到0.4。進(jìn)一步通過Sb/Se共摻雜，室溫ZT值提升到0.6左右?；赟PB模型預(yù)測，該材料ZT值可以達(dá)到0.7左右，表現(xiàn)了較好的室溫?zé)犭娦阅堋?/p>