哈工大材料科学与工程学院隋解和教授团队研究成果为超价键材料的掺杂设计和性能优化提供新思路

哈工大全媒体（李双余 刘明 文/图）近日，哈工大材料科学与工程学院隋解和教授团队在热电材料超价键掺杂与热电性能优化方面取得重要进展，相关成果以《超价键材料掺杂策略提升热电性能》（Doping Strategy in Metavalently Bonded Materials for Advancing Thermoelectric Performance）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该研究为超价键材料的掺杂设计和性能优化提供了新思路。

以超价键（Metavalent bonding）结合的材料在热电、相变和光电等领域展现出独特的性质，具有广阔的应用前景。超价键材料的性能优化主要通过掺杂调控，然而掺杂元素在基体中的固溶度不同，是形成固溶体还是第二相难以预测和设计，阻碍了性能优化。

隋解和教授团队研究发现超价键材料间掺杂固溶度高，易形成固溶体；与其他化学键材料掺杂固溶度低，易析出第二相。以超价键热电材料GeTe为例，超价键PbS掺杂GeTe时，S的固溶度超过5%；而共价键GeS和SnS掺杂GeTe时，S的固溶度低于1%。超价键掺杂提高S的固溶度，增强点缺陷散射，降低晶格热导率，提升热电性能。在此基础上，优化载流子浓度，（Ge_0.84Sb_0.06Te_0.9）（PbSe）_0.05（PbS）_0.05合金在773 K的热电优值达到2.2，较GeTe提高73%。

哈工大为论文第一通讯单位，材料科学与工程学院博士研究生刘明为该论文第一作者。材料科学与工程学院隋解和教授、郭逢凯副教授，德国亚琛工业大学马提亚斯·乌蒂希（Matthias Wuttig）院士、余愿博士为论文共同通讯作者。材料科学与工程学院蔡伟教授、刘紫航教授，博士研究生朱钰可、董行严、俞快，本科毕业生赖英达；西华大学郭沐春博士；德国亚琛工业大学博士研究生吕海燕、杨岳洋参与相关研究工作。

该研究获国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52645-3

图a 固体中化学键分类的二维图。该图由氧化态归一化电子转移（ET）和相邻原子间共享的电子数（ES）共同确定，不同的化学键机制用不同颜色来表示

图b 不同化学键机制材料间掺杂获得高固溶度或相分离的示意图