三重导带激活机制使n型SnS晶体具有较高的垂直于平面方向的热电效率

《Journal of the American Chemical Society》：Triple-Conduction-Band Activation Enables High Out-of-Plane Thermoelectric Efficiency in n-type SnS Crystals

锡硫矿（SnS）通过Se和Pb双元素合金化，成功将n型半导体的载流子浓度显著提升，三导带激活机制实现电荷迁移率与有效质量解耦，结合声子工程有效抑制晶格热导率，使材料在698K时ZT值超2.0，300-723K平均ZT达1.1以上，并制备出8.3%功率效率的热电单腿器件。

　　

对高性能且地球上储量丰富的热电材料的兴趣日益增加，这促使人们开始关注基于硫化物的化合物。其中，硫化锡（SnS）作为一种有前景的材料脱颖而出，尤其是其p型形式。然而，n型SnS的发展受到较差电导性能的阻碍。在这项研究中，通过将硒（Se）和铅（Pb）双合金化到n型Pnma相SnS晶体中，显著提高了载流子浓度。由此产生的三带激发效应使得载流子迁移率和有效质量之间的耦合减弱，从而大幅增强了垂直于晶面的三维（3D）电荷传输能力。同时，由于群速度降低以及低能量的光学声子模式的存在，二维声子传输也得到了进一步加强，有效抑制了晶格的热导率。结果，在Pnma相区域的n型Sn_0.63Pb_0.37S_0.55Se_0.45晶体中，实现了698 K时超过2.0的优异垂直ZT值，以及300–723 K范围内平均ZT值高于1.1。此外，制备的单腿热电器件在472 K的温差（ΔT）下表现出约8.3%的发电效率，显示出n型硫化物热电材料的巨大潜力。这项工作通过三带工程技术，在地球上储量丰富的n型SnS热电材料领域取得了重大进展，为基于SnS的各种器件的开发与应用奠定了基础。