曲阜師大新聞中心訊  近日，曲阜師大物理工程學院劉曉兵教授和陳欣教授研究團隊在黑磷基柔性熱電材料的設計與制備領域取得重要進展，相關研究成果以“Superior Thermoelectric Performance of Black Phosphorus in Elemental Tellurium”與“Enhanced Thermoelectric Performance in Black Phosphorene via Tunable Interlayer Twist”為題，在10月26日分別發表于材料科學國際頂級期刊《Advanced Energy Materials》（JCR一區TOP，IF: 29.698）和《Small》（JCR一區TOP，IF: 15.153）。物理工程學院楊曼曼博士與段帥博士分別為上述論文的第一作者，孫海瑞副教授、陳欣教授與劉曉兵教授為論文的通訊作者，曲阜師范大學為第一作者與通訊作者的唯一署名單位。

熱電材料可實現熱能與電能之間的直接轉化，在廢熱回收、解決能源危機、降低環境污染等領域具有重要經濟價值與社會意義。熱電轉化效率主要由品質因子ZT值決定，各物理參數之間存在復雜的強耦合聯系，為研發高性能熱電材料帶來了極大挑戰。黑磷獨特的層狀晶體結構，使其同時具備本征高載流子遷移率、隨層數可調的能帶帶隙、層內及層間物性的強各向異性等特點，對解耦材料的電聲耦合存在先天優勢。自2019年起，劉曉兵教授團隊利用第一性原理計算模擬，通過第五主族元素摻雜（Adv. Funct. Mater. 29(38), 1904346, 2019）、不同原子層數磷烯薄膜調控（Vacuum 183, 109790, 2021）、一維化（Small 16, 2001820, 2020）及構建異質結（ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 18800, 2021）等多種手段，揭示了黑磷基材料沿特定方向（Armchair或Zigzag）具有高熱電轉換效率，首先從理論上預言了黑磷及其衍生結構具備成為無毒、輕質、柔性高性能熱電材料的巨大潛力。

圖為轉角黑磷烯結構示意圖與熱電優值ZT

為實現黑磷材料整體熱電轉換效率的提升，該團隊利用黑磷二維層間弱范德華力的結構優勢，引入轉角自由度對其熱電性能進行調節。構建了不同層間轉角的雙層黑磷烯薄膜結構，引入莫爾超晶格勢場，通過密度泛函理論計算發現轉角黑磷烯中莫爾勢可誘導出平坦的莫爾子帶，使電子態密度增大，進而提高溫差電動勢和電輸運性能；同時，莫爾勢的引入可以增強非諧聲子散射效應，有效降低晶格熱導率，500K時黑磷烯的晶格熱導率可降低到2.7 W m-1 K-1。這一工作通過莫爾超晶格對電子、聲子結構的重構與調制行為，成功實現了黑磷烯整體熱電性能的顯著提升，為探索二維熱電材料提供了更大的可能性與研究空間。相關成果以“層間轉角調控實現黑磷烯熱電性能的提升”為題發表在Small雜志上（S. Duan et al., Small 202204197, 2022）。該論文第一作者為曲阜師大物理工程學院2021級博士研究生段帥，陳欣教授、劉曉兵教授為該論文的共同通訊作者。

圖為黑磷結構引入對單質Te熱電轉換效率的改善

前期理論研究結果激發了領域內對開展黑磷基熱電材料的實驗制備與物性研究的興趣，然而黑磷在空氣環境下的低穩定性嚴重降低了其實際應用前景。近期，該團隊選取了單質Te作為基底材料，利用高溫高壓技術通過摻雜黑磷，成功制備了一系列Te-BP，(Ge)Te-BP，(Ge, Se)Te-BP，(Ge, Sb)Te-BP，(Ge, Se, Sb)Te-BP異質結構。通過原位高溫拉曼光譜表征，發現異質結的形成可以有效改善黑磷的穩定性，在空氣中可以穩定至610K以上。該工作揭示了黑磷的引入成功實現了對單質Te電學與熱學性質的同時改善，從而帶來了最高（平均）ZT值的大幅度提升，分別達到79% (157%), 158% (193%), 353% (390%), 30% (20 %) and 49% (30%)。其中，(Ge, Se, Sb)Te-BP結構在610K時，ZT值提升至1.1，是目前單質體系在該測試溫度范圍內所報道的最高值。這一工作是實驗上首次驗證黑磷結構在熱電轉換領域的優越特性，為進一步開發黑磷基高性能熱電材料開辟了新方向。相關成果以“黑磷優越的熱電性能在單質Te中實現”為題發表在Advanced Energy Materials雜志上（M. Yang et al., Adv. Energy Mater. 202203014, 2022）。該論文第一作者為曲阜師大物理工程學院2019級博士研究生楊曼曼，孫海瑞副教授、劉曉兵教授為該論文的共同通訊作者。

曲阜師范大學高壓物理與材料科學（HPPMS）研究團隊成立于2018年，研究領域主要包括極端條件高壓技術開發、金剛石類超硬材料的合成與物性、環境友好型熱電材料的設計與制備、高壓相變與超導、低維材料設計與合成及其在光學、儲能等器件開發領域的應用。近五年，團隊主持國家自然科學基金9項，山東省自然科學基金12項，在PNAS，Angew. Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Small, Phys. Rev. B等期刊發表SCI學術論文50余篇，獲山東省優秀研究生成果獎3項（一等獎1項），5名研究生獲國家獎學金，1人獲山東省優秀畢業生。

發布：曲阜師大新聞中心

終審：劉永禮