最近中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所史迅研究員、陳立東研究員、張文清研究員、許鈁鈁研究員與團(tuán)隊(duì)成員加州理工大學(xué)G. Jeffrey Snyder博士、美國布魯克文國家實(shí)驗(yàn)室Qiang Li教授、密歇根大學(xué)Ctirad Uher教授等合作，提出在固態(tài)材料中引入具有“液態(tài)”特征的離子來降低熱導(dǎo)率和優(yōu)化熱電性能，突破晶格熱導(dǎo)率在固態(tài)玻璃或晶態(tài)材料上的限制，發(fā)現(xiàn)了一類具有“聲子液體－電子晶體”特征、完全不同于傳統(tǒng)晶態(tài)熱電化合物的新型熱電材料體系，拓展了熱電材料的設(shè)計(jì)理念。
研究發(fā)現(xiàn)，在具有高溫反螢石結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體硒化二酮（Cu2-xSe）化合物中，Se原子可以形成相對穩(wěn)定的面心立方亞晶格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，而Cu離子則隨機(jī)分布在Se亞晶格網(wǎng)絡(luò)的間隙位置進(jìn)行自由遷移。Se亞晶格提供了良好的電輸運(yùn)通道，具有“液態(tài)”特征的可自由遷移Cu離子不但可以強(qiáng)烈散射晶格聲子來降低聲子平均自由程，而且由于消減了部分晶格振動(dòng)橫波模式而降低材料的晶格熱容，突破了晶態(tài)和玻璃態(tài)材料的晶格聲子熱振動(dòng)與輸運(yùn)限制。初步結(jié)果表明，Cu2-xSe顯示了優(yōu)良的熱電性能，其性能優(yōu)值ZT可超過1.5，與目前發(fā)現(xiàn)的高性能晶態(tài)熱電材料相當(dāng)，并可望通過優(yōu)化摻雜等手段進(jìn)一步提升。同時(shí)，本項(xiàng)研究工作提出的“聲子液體”概念還可以很好地解釋許多含Cu和Ag離子等半導(dǎo)體材料中發(fā)現(xiàn)的電熱輸運(yùn)行為及其規(guī)律，有望引出一類具有“聲子液體－電子晶體”特征的新熱電材料體系，為新熱電化合物的探索以及傳統(tǒng)熱電材料性能的進(jìn)一步優(yōu)化提供了新的方向和途徑。
相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然•材料》（Nature Materials）雜志，并申請中國發(fā)明專利。研究成果獲得了審稿人的高度評價(jià)，例如審稿人認(rèn)為：“本文拓展了已有的‘聲子玻璃－電子晶體’概念至‘聲子液體－電子晶體’，為熱電材料的研究方向提供了新的可能性；在一個(gè)具有簡單化學(xué)式、小晶胞和輕元素構(gòu)成的材料中實(shí)現(xiàn)的高熱電性能打破了人們對熱電材料的一些傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)；本文在Cu2-xSe新系統(tǒng)中報(bào)道的高性能非常有趣，促使人們更多地思考可能具有比傳統(tǒng)熱電材料更好的新材料的可能性，這些新材料的發(fā)現(xiàn)將會(huì)顯著地推動(dòng)本研究領(lǐng)域的發(fā)展……”。
研究工作得到了中國科學(xué)院百人計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體和杰出青年科學(xué)基金、國家外專局創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作伙伴計(jì)劃、上海市優(yōu)秀學(xué)科帶頭人、上海市浦江人才等的資助和支持。
（a）Cu2Se化合物高溫下的晶體結(jié)構(gòu)和（b）銅離子遷移示意圖
Cu2-xSe化合物的熱電性能
Cu2Se化合物的熱容隨溫度的變化，高溫下展示明顯的聲子液體特征
