2022年2月1日，重庆大学物理学院周小元-卢旭教授课题组在Wiley出版的《Advanced Materials》上发表了题目为“非常规掺杂效应致Cu3SbSe4基复合材料实现超高平均热电功率因子”(Unconventional doping effect leads to ultrahigh average thermoelectric power factor in Cu3SbSe4-based composites)的研究论文。该论文的工作全部在重庆大学完成，以重庆大学物理学院为第一通讯单位，重庆大学硕士研究生黄玉玲、助理研究员张斌为共同第一作者，周小元教授和卢旭教授为共同通讯作者。
寻找可替代的清洁能源，建设可持续社会已成为21世纪世界各国的主题之一。热电材料（Thermoelectric Materials）无需任何运动部件或介质就可以直接将热量转化为电能，近年来引起了学术界的广泛关注。热电材料通常是高简并半导体，需要较高的载流子浓度。然而，传统的掺杂方法使用异质原子取代基体原子，掺杂效率受到元素溶解度极限的限制。更为重要的是，这种掺杂方法容易在室温附近引起强载流子散射，导致电学性能恶化。
近日，来自重庆大学物理学院新能源材料与器件课题组报道了一种高效率提高半导体的载流子浓度并且保持高迁移率的非常规掺杂效应。在这项工作中，作者通过实验表征和理论计算， 将CuAlSe2复合于Cu3SbSe4基体上，引入微量的外来原子Al来稳定Cu3SbSe4中的Sb阳离子空位。结果表明，在“稳定原子”Al的帮助下，Sb位置原子的空位形成能降低，在高效率提升载流子浓度的同时，对载流子的迁移率影响甚微，从而达到优化热电材料电学输运性能的目的。比起常规掺杂手段，非常规掺杂方式显示出更高效率的电性能协同优化（载流子浓度与迁移率）。同时，这项工作在热电性能的优化上取得了突出成绩，例如，在673 K时获得峰值功率因子为20 μW cm–1 K–2，且在300~723 K的温度范围内平均功率因子为19 μW cm–1 K–2，平均热电优值提升到0.72，均为目前铜基类金刚石结构的热电材料报道的最高数值。
该论文的工作为优化三元化合物的空穴浓度提供了一种新策略，即通过稳定元素促进阳离子空穴的生成，而稳定元素对空穴传输的影响较小。同样的策略可用于保持需要高载流子浓度的半导体的载流子迁移率。因此，非常规掺杂效应值得在热电材料之外的其他领域进一步探索。
该研究得到了国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费等基金的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202109952
图中所示为常规掺杂策略的机制示意图及其在热电性能提升中的作用。
