综述：热电学的新前沿：新兴材料与实现高性能的途径

《Materials Today Energy》：A New Frontier in Thermoelectrics: Emerging Materials and Pathways to High Performance

本文综述了热电材料的前沿进展，重点探讨Zintl相、层状硫属化物、氧化物硒化物等新型材料体系。通过能带工程调控、声子散射优化及低维效应利用，显著提升了热电性能指标zT值。同时指出材料掺杂受限、热稳定性不足及规模化制备等关键挑战，并展望了基于电子结构理论、缺陷工程与高通量计算的材料理性设计新范式。

　　

乌代·M·巴希尔·阿尔-奈布（Uday M. Basheer Al-Naib）

马来西亚理工大学先进复合材料中心（Centre for Advanced Composite Materials, CACM），81310 UTM Skudai, Johor, Malaysia

摘要：

热电（TE）材料为固态能量转换提供了一种独特的解决方案，但其广泛应用受到性能限制、毒性问题以及可扩展性挑战的制约。最近的进展将研究重点从传统的Bi₂Te₃和PbTe系统扩展到了更广泛的新兴材料领域，包括Zintl相、层状硫属化合物、氧硒化物、半Heusler合金以及二维（2D）化合物。这篇简短的综述批判性地分析了这些材料类别背后的科学原理，重点讨论了能带结构工程、声子散射调控以及低维效应。文中强调了纳米结构化、化学复杂性以及电子能带收敛性等关键策略在提高热电优值（zT）方面的作用。同时，也指出了存在的持续挑战，如掺杂能力有限、热稳定性不足以及合成可扩展性问题。最后，本文概述了基于电子结构理论、缺陷工程和高通量计算筛选进展的下一代热电系统合理设计方向。通过将这些发展整合到一个连贯的框架中，本文旨在推动热电材料向实用、高性能和可持续应用的迈进。

章节摘录

引言：

热电（TE）材料具有直接将热能转化为电能或反之的能力，实现了无需活动部件或排放物的固态能量收集和热管理。这种功能基于塞贝克效应（Seebeck effect）和珀尔帖效应（Peltier effect），使得热电材料成为从废热回收和太空电源系统到电子器件中的微型珀尔帖冷却器等各种应用的理想选择。

新兴热电材料类别

为了开发出高效、可扩展且环境友好的热电材料，研究人员发现了几类具有良好传输特性和设计灵活性的新材料。与传统系统不同，新兴热电材料的性能提升通常是通过掺杂或纳米结构化实现的，而这类新材料本身就具备复杂的键合环境、低维电子特性等优势。

传输机制创新

热电优值zT = (S²σT)/κ反映了多个相互依赖参数之间的复杂相互作用：塞贝克系数（S）、电导率（σ）和热导率（κ）。历史上，zT的提升主要依赖于经验性的掺杂或合金化方法；然而，最近的材料突破越来越多地基于对电子和声子传输机制的理性调控。本节重点介绍了这些关键创新。

展望与未来方向

高zT热电材料的涌现突显了超越传统体系、采用更多样化学成分、维度及传输机制的重要性。正如所讨论的，Zintl化合物、层状硫属化合物、半Heusler合金和二维碳化物等新兴材料平台展示了能带结构调控、层次化声子散射以及结构各向异性的有效性。然而，

应用与器件集成

先进热电材料向实际技术的转化不仅取决于其本身的热电优值（zT），还取决于它们能否有效集成到功能性器件中。特别是热电发电机（TEGs）在汽车和可穿戴设备领域正逐渐受到关注，因为它们能够将低品位或高品位的废热转化为电能，从而显著提升能源效率和可持续性。

结论

过去十年间，热电材料的发展经历了从传统的二元和三元化合物向结构和化学性质更为复杂的系统的重大转变。本综述强调了包括Zintl相、氧硒化物、半Heusler合金以及二维层状材料在内的先进材料类别的出现，这些材料正在重新定义提升热电性能的策略。这一进展的核心是先进的材料设计原理。

数据来源

本文未报告任何新的原始数据。所有分析和讨论的数据均来自引用的已发表文献。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。