近日，上海交通大学中英国际低碳学院鞠生宏副教授团队在《应用物理快报》Applied Physics Letters期刊发表“High thermoelectric performance in metastable phase of silicon: a first−principles study”研究论文。该工作聚焦于能有效实现热能与电能之间能量转换的亚稳态热电材料，结合玻尔兹曼输运理论和第一性原理能带结构计算，探究了低成本、低热导率亚稳态硅的热电转换性能。

热电材料通过Seebeck效应和Peltier效应实现热能和电能之间的直接转换，在温差发电和通电制冷等领域具有广泛的应用。鉴于传统热电材料诸如Bi₂Te₃、PbTe等高昂的成本，亟需发掘本征低热导率且低成本的新型材料并探究其在热电领域的应用价值。压力诱导稳态硅结构发生相变产生亚稳态硅在实验层面有广泛的研究。在室温12 GPa条件下，金刚石稳态Si-I相变转换为金属相Si-II，随着压力缓慢地释放，Si-II在9.3 GPa时转换为半金属相Si-XII，并在压力完全释放时转换为亚稳态Si-III。可观的是，亚稳态Si-III和Si-XII都能在常压下稳定存在，且亚稳态硅结构表现出与稳态硅完全不同的热、光、电学等物理性质，这赋予亚稳态硅在能源储存和转换等领域潜在的应用价值。本研究从热电转换性能评判指标热电优值ZT = S²σT/(k_p+k_e)各计算参数出发，分别从声子和电子输运两个层面对比研究稳态Si-I和亚稳态Si-XII的热电转换性能。

图1 稳态Si-I向亚稳态Si-XII相变利于提高材料热电优值示意图

在声子输运方面，该研究从声子群速度和三声子散射强度等物理层面系统解释了Si-XII热导率低于Si-I的缘由，并从原子成键强度和群速度各向异性揭示晶体Si-XII声子热输运能力的各向异性。在电子输运方面，以本征电子和空穴掺杂为电子输运性能调控手段，分别从塞贝克系数S、电导率σ以及电子热导率k_e三个角度予以计算和理论分析。在窄带隙半导体Si-XII中，尽管双极效应对塞贝克系数有所折损，但其较低的电子有效质量使得电子掺杂型Si-XII表现出极其优异的电子输运性能。此项工作证实亚稳态Si-XII的热电优值在500 K温度下高达0.63，进而在理论层面拓宽了廉价的硅材料在热电能源转换领域中的应用。

图2 稳态Si-I和亚稳态Si-XII声子热导率，群速度以及弛豫时间

原文链接：https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0087730

论文的第一作者是上海交通大学中英国际低碳学院2020级博士生饶勇超，通讯作者是鞠生宏副教授。

作者介绍：

饶勇超，上海交通大学中英国际低碳学院2020级博士生。研究方向：热电输运第一性原理计算。

鞠生宏，上海交通大学中英国际低碳学院副教授，博士生导师。目前主持国家自然科学基金、上海市科委“科技创新行动计划”基础研究领域项目、日本科研费KAKENHI等课题。研究方向包括智慧能源与大数据、能源材料多尺度计算、新能源材料与器件等。入选上海市浦江人才计划，曾获日本传热学会奖励赏，清华大学优秀博士学位论文。