通过能带工程和动态掺杂技术，在宽温度范围内提升n型PbS的热电性能

《Materials Today Physics》：Enhancing thermoelectric performance of n-type PbS in a wide temperature range through band engineering and dynamic doping

本研究通过n型铅硫（PbS）中微量铟锡（InSb）掺杂与铜（Cu）动态掺杂策略，显著提升了其热电性能（ZT值），平均功率因子从9.43提升至16.32 μW cm?1 K?2，晶格热导率降低，载流子迁移率提高，单腿功率转换效率达4.1%。

　　本研究聚焦于一种新型的热电材料——铅硫化物（PbS），旨在通过创新的掺杂策略显著提升其热电性能。PbS作为一种在中温区应用的热电材料，相较于传统材料如PbTe和PbSe，具有成本低、热稳定性好等优势。然而，传统的重元素掺杂方法在提升材料性能的同时，往往会对室温下的功率因数（PF）产生不利影响，导致电荷输运特性下降。为了解决这一问题，本研究提出了一种协同掺杂策略，通过微量的InSb掺杂和动态的Cu掺杂，显著改善了n型PbS的热电性能。

InSb掺杂在本研究中发挥了重要作用。首先，它能够同时优化载流子浓度和有效质量（m*），而不会显著降低载流子迁移率。这种优化使得材料在300至773 K的宽温度范围内表现出更高的平均功率因数，从原本的约9.43 μW cm?1 K?2提升至约16.32 μW cm?1 K?2。此外，InSb的引入还通过增强声子散射效应，有效降低了晶格热导率（κ_lat）。这种降低对热电材料的性能至关重要，因为它有助于减少热损失，从而提升整体的热电效率。

与此同时，Cu的动态掺杂为材料性能的进一步优化提供了新的可能性。随着温度的升高，Cu掺杂能够调节载流子浓度（n_H），使得材料在高温下的载流子迁移率（μ_H）显著提升。具体而言，PbS在Cu掺杂后，其载流子迁移率从约166 cm2 V?1 s?1提升至约393 cm2 V?1 s?1，显示出优异的电荷输运能力。这一变化使得材料在高温区表现出更高的ZT值，同时在室温区也保持了较高的性能水平。

最终，通过InSb和Cu的协同掺杂，Pb?.?????(InSb)?.?????S+2.0%Cu这一复合材料在300至773 K的温度范围内实现了峰值ZT值约1.1，平均ZT值约0.65，显著优于大多数已报道的n型PbS基热电材料。在500 K的温差下，该材料实现了单腿发电效率高达4.1%，这表明其在热电发电和制冷应用中具有巨大的潜力。

本研究不仅在材料性能上取得了突破，还为热电材料的设计提供了新的思路。传统的热电材料性能优化通常面临诸多挑战，因为其关键参数如Seebeck系数（S）、电导率（σ）和总热导率（κ_tot）之间存在复杂的耦合关系。而本研究通过引入InSb和Cu的协同掺杂策略，成功实现了这些参数的解耦调控，为提升热电材料的综合性能提供了可行的路径。

在热电材料的研究中，提升ZT值是关键目标之一。ZT值越高，意味着材料在热电转换中的效率越高。因此，如何在不牺牲其他关键性能指标的前提下提升ZT值，一直是科学界关注的重点。本研究通过引入微量InSb掺杂和动态Cu掺杂，不仅提升了载流子浓度和有效质量，还有效抑制了晶格热导率，从而显著提高了PF值和ZT值。这种策略的成功，得益于对材料微观结构的深入理解以及对掺杂机制的精确控制。

在实验过程中，研究人员通过系统分析和表征手段，确认了InSb和Cu掺杂对PbS材料结构和性能的影响。例如，InSb的掺入不仅改变了材料的电子结构，还通过引入纳米析出物和晶格畸变，增强了声子散射效应，从而有效降低了晶格热导率。而Cu的动态掺杂则通过调节载流子浓度，提升了载流子迁移率，使得材料在高温下表现出更高的电导率和Seebeck系数。这种双重掺杂策略的协同作用，使得材料在宽温度范围内保持了较高的热电性能。

此外，本研究还强调了材料设计中的关键问题。在热电材料中，载流子浓度、有效质量、迁移率和热导率之间的相互作用复杂，难以单独调控。因此，如何在不破坏其他性能指标的前提下，优化这些参数，是提升材料性能的核心挑战。本研究通过引入InSb和Cu的协同掺杂策略，成功解决了这一问题，实现了载流子浓度和有效质量的同步优化，同时避免了迁移率的显著下降，最终在PF和ZT值上取得了显著提升。

在热电材料的应用中，发电效率和制冷效率是两个重要的指标。本研究通过优化PbS的热电性能，使其在500 K的温差下实现了4.1%的单腿发电效率，这一效率水平远超现有的许多高性能n型PbS基热电材料。这表明，PbS作为一种中温区热电材料，具有广阔的应用前景。尤其是在可再生能源和热能回收领域，PbS的优异性能有望为实际应用提供强有力的支持。

本研究还为热电材料的未来发展方向提供了参考。通过引入协同掺杂策略，研究人员不仅提升了材料的热电性能，还探索了新的材料设计方法。例如，InSb和Cu的协同作用使得材料在不同温度区间表现出不同的性能特性，这种动态调控能力是提升热电材料性能的重要手段。此外，本研究还强调了材料结构调控在热电性能优化中的重要性，例如通过改变电子带结构和增加态密度，可以有效提升Seebeck系数，从而改善整体性能。

在热电材料的研究中，除了材料性能的提升，还需要考虑其稳定性和可制造性。PbS作为一种具有高熔点的材料，能够在高温下保持稳定的性能，这使其成为一种理想的热电材料。然而，传统的重元素掺杂方法可能会导致材料的热稳定性下降，因此需要寻找新的掺杂策略来平衡性能和稳定性。本研究通过引入微量InSb掺杂和动态Cu掺杂，不仅提升了材料的性能，还确保了其在高温下的稳定性，为实际应用提供了可靠的材料基础。

综上所述，本研究通过引入协同掺杂策略，显著提升了n型PbS的热电性能。这一成果不仅为热电材料的设计提供了新的思路，还为热电发电和制冷技术的发展提供了有力支持。在未来的研究中，进一步探索其他掺杂策略和材料设计方法，有望实现更高性能的热电材料，从而推动热电技术在更多领域的应用。