散射机制调节实现二维Bi2O2Se高效热电转换

基于塞贝克效应的热电材料可以实现热能和电能的直接转换，在绿色清洁能源和低温制冷领域具有非常重要的应用。

如何提高热电材料的转换效率一直是该领域研究的核心问题。

热电参数之间的强耦合使得提高材料的热电性能具有挑战性。

长期以来，由于载流子散射机制的复杂性，很难控制载流子散射机制。

因此，经常被忽视的是载流子迁移率可以独立地提高热电性能（在不牺牲塞贝克系数的情况下增加电导率）。

）。

针对这一问题，新加坡科学技术局材料工程研究所的吴静研究员与东南大学的倪振华教授和陆俊鹏教授的研究小组合作，发现在二维Bi2O2Se-中施加栅极电压。

基于场效应管的晶体管可以将偏振光子的散射调节至压力。

电散射的转换实现塞贝克系数和电导率的解耦，并在较宽的温度范围内实现高热电功率因数。

研究结果发表在国际知名的学术期刊《先进材料》上，标题为“高性能Bif的Bi2O2Se中的门可调谐极性光电声子对压电散射”。

与广泛研究的二维材料（例如石墨烯，过渡金属硫化物和黑磷）不同，二维Bi2O2Se的低声子基团速度和强声子非谐波散射使其具有极低的热导率（〜0.92W / mKAPL115， 193103（2019）），其高电子迁移率和良好的环境稳定性使其在热电和能量转换领域具有巨大潜力。

研究人员发现，二维Bi2O2Se的载流子迁移率受高温下的偏振光声子散射和低温下的压电散射的支配（如图3c所示）。

当压电散射起主导作用时，其迁移率显着提高。

同时，电导率的急剧上升并没有导致塞贝克系数的显着降低，这表明散射机制的调节可以实现电导率和塞贝克系数的解耦（如图2d所示）。

这与以前的调整载流子浓度以平衡电导率和塞贝克系数的策略有很大不同。

同时，研究人员还发现，这种散射机制的转变温度具有很高的栅极电压可调性。

通过施加一定量的栅极电压，可以显着提高从偏振光子声子散射到压电散射的转变温度，并最终在温度范围（80-80°C）内获得宽的高热电功率因数{>400μW/（m·K2）}。

200K）。

图1. a），b）和c）二维Bi2O2Se的光学图像，晶体结构和拉曼表征。

d）和e）热电设备的光学图和AFM图。

f）二维Bi2O2Se的电传递曲线。

图2.a）热电设备测试示意图。

b）和c）在不同的栅极电压和温度下的塞贝克系数。

d）鸡场图，显示两个不同的区域。

图3. a）和b）二维Bi2O2Se在不同温度和电场下的电导率。

c）和d）迁移率的温度依赖性，显示了从偏振光子声子散射到压电散射的转变。

图4.a）在不同的栅极电压下，温度相关的热电功率因数和电导率。

b）在宽温度范围内具有高迁移率的可调栅极电压。

c）热电功率因数与栅极电压和温度的关系。

d）在3个典型温度下，热电功率因数和迁移率在两个数量级的调制中表现出近似线性的相关性。

概述与展望这项工作发现，通过栅极电压调节二维Bi2O2Se的散射机理可以有效地调节其热电性能，这证明散射机理的调节可以很好地实现热电参数之间的解耦。

高的门可调性允许精细控制散射机制，从而揭示更深入的物理机制。

对于探索低尺寸材料在低温制冷和自供电物联网领域的应用具有深远的意义。

这项工作是由国家资助的