通过缺陷工程实现Cu掺杂Bi?Te?的多功能性：基于第一性原理的洞察揭示了热电、压电和光电性质的相互作用

《Inorganic Chemistry Communications》：Defect-engineered multifunctionality in cu-doped Bi?Te?: interplay of thermoelectric, piezoelectric, and optoelectronic properties from first-principles insights

铜掺杂Bi?Te?通过缺陷工程显著提升热电、压电及光电性能，DFT计算表明掺杂引入的Cu-d/Te-p杂化态增强载流子浓度与费米能级附近电子态密度，提高塞贝克系数至220 μV/K，功率因子达3.9×1012 W/mK2s，静态介电常数增至118，压电系数从0.19增至0.51 C/m2，同时保持拓扑绝缘体特性。

　　本文探讨了铜掺杂对二碲化铋（Bi?Te?）结构、电子、光学、热电、压电以及电荷密度特性的影响。Bi?Te?作为一种多功能材料，在热电和光电子领域具有广泛应用，其独特的电子结构和强自旋轨道耦合（SOC）使其成为开发新型光电子器件、热电发电机以及自旋电子器件的理想候选材料。通过缺陷工程引入铜掺杂，不仅能够优化Bi?Te?的性能，还能显著提升其多功能特性，使其成为一种具有广阔应用前景的材料。

铜掺杂能够微调Bi?Te?的结构，使其晶格发生轻微扩展，同时降低总能量最小值，从而提高材料的稳定性。这种结构变化对材料的电子行为产生深远影响，通过铜的d轨道与碲的p轨道之间的杂化作用，引入了新的电子态，特别是在费米能级附近。这种杂化不仅增加了载流子浓度，还提升了塞贝克系数和功率因子，同时保持了较高的电导率。这表明铜掺杂在不牺牲电导率的情况下，显著提高了热电性能，为高效热电材料的开发提供了新的思路。

从光学角度来看，铜掺杂增强了Bi?Te?的低能吸收特性，并且其静态介电常数显著增加，表明材料对光的响应能力得到了提升。这种特性使得铜掺杂的Bi?Te?在红外探测和光能收集方面展现出良好的潜力。同时，铜掺杂也促进了压电响应的增强，其压电系数e??从纯Bi?Te?的0.19 C/m2提升至5%掺杂时的0.38 C/m2，并在10%掺杂时达到0.51 C/m2。这一变化源于铜掺杂导致的局部对称性破坏，使得材料在应变作用下能够产生净极化效应。压电性能的提升为开发新型压电材料提供了理论依据，同时也为实现热电与压电功能的协同提供了可能性。

电子局域函数（ELF）的分析进一步揭示了铜掺杂对Bi?Te?电子结构的影响。铜的d轨道与碲的p轨道之间的杂化作用，使得电子在晶格中发生非对称分布，形成局部电荷密度的变化。这种变化不仅增强了材料的压电性能，还改善了其光学响应能力。在低能区域，铜掺杂使得材料对光的吸收能力显著增强，同时保持了较高的折射率，这使得铜掺杂的Bi?Te?在光电子器件设计中具有独特优势。

通过X射线吸收光谱（XAS）分析，可以看到铜掺杂对Bi?Te?未占据电子态的影响。在纯Bi?Te?中，吸收峰主要集中在约780 eV处，而铜掺杂后，该峰的强度显著增强，并且吸收边向高能方向偏移。这表明铜的3d轨道与碲和铋的p轨道之间发生了显著的电子相互作用，导致了新的电子通道的形成，从而提升了材料的光学吸收能力。这种特性对于光电子应用，如红外探测器和光能转换装置，具有重要意义。

此外，铜掺杂还影响了Bi?Te?的电荷密度分布。模拟显示，铜作为电子供体，将约0.8个电子转移给周围的碲原子，从而在Bi?Te?中形成非对称的电荷分布。这种电荷重分布不仅增强了材料的压电响应，还提高了其p型导电性，同时通过增强声子散射来降低晶格热导率，进一步提升了热电性能。铜掺杂还通过改变晶格结构，提高了材料的机械强度，使其在实际应用中更加稳定和耐用。

总体而言，铜掺杂对Bi?Te?的影响是多方面的。它不仅改善了材料的热电性能，还显著增强了其光学吸收能力和压电响应。这些性能的提升使得铜掺杂的Bi?Te?成为一种具有广泛应用前景的多功能材料。从热电性能来看，其在中等温度下的热电效率显著优于纯Bi?Te?，表现出优异的电荷传输能力。从光学角度来看，其在红外波段的吸收能力使其在光电子器件中具有重要价值。从压电角度来看，其在应变作用下的极化能力使其成为一种潜在的新型压电材料。

这种多功能性不仅体现在物理性能的提升上，还体现在材料的可调性方面。通过调控铜的掺杂浓度，可以精确控制Bi?Te?的热电、压电和光学特性，使其适应不同应用场景的需求。例如，在热电应用中，铜掺杂可以提高材料的效率，使其在废热回收系统中具有更高的能量转换能力；在光电子应用中，其在红外波段的吸收能力使其适用于红外探测器和太阳能吸收装置；而在压电应用中，其在应变作用下的极化能力为开发新型能量收集装置提供了理论支持。

这些研究结果不仅加深了我们对Bi?Te?材料在铜掺杂条件下的行为的理解，还为未来多功能材料的设计和开发提供了新的思路。通过缺陷工程，我们能够有效地调控Bi?Te?的电子结构和光学响应，使其在多个领域展现出协同效应。这种协同效应为开发下一代集成能量收集和传感装置提供了重要的基础。同时，铜掺杂的Bi?Te?还可能在自旋电子学和量子信息技术中发挥关键作用，因为其表面态的非对称性变化可能影响自旋电流的传输。

因此，本文的研究为Bi?Te?在多种应用中的性能提升提供了理论依据，并为未来的材料设计和工程实践指明了方向。铜掺杂不仅是一种简单的元素添加，更是一种通过调控材料内部结构和电子行为，实现多功能性增强的策略。这种策略在热电、压电和光电子领域都具有重要意义，有望推动新型能源和传感技术的发展。