铌扩散驱动掺杂增强ScN基多层结构的热电性能：实验与理论协同研究

本研究针对ScN基热电材料性能提升的挑战，通过构建ScN/Sc1-xNbxN多层结构，结合DFT计算与实验验证，发现Nb掺杂可显著提高Seebeck系数（800K达-116 μV/K）并降低热导率（4 Wm-1K-1），使ZT值突破0.3，为氮化物热电材料设计提供新范式。

　　

热电材料能将废热转化为电能，在能源回收领域极具潜力。传统热电材料如碲化物虽性能优异但存在毒性高、储量少等问题，而新兴的氮化钪(ScN)因其环境友好性和高对称性岩盐结构备受关注。然而纯ScN存在Seebeck系数低（-40 μV/K@800K）、热导率高（10 Wm^-1K^-1）等瓶颈，ZT值长期徘徊在0.2以下。如何通过微观结构设计协同调控电声输运性能，成为该领域的关键科学问题。

研究人员创新性地提出铌(Nb)扩散驱动掺杂策略，在MgO(001)衬底上制备了ScN/Sc_1-xNb_xN多层结构（x=0.4%-4.8%）。通过直流反应磁控溅射结合精确的层厚控制（ScN层30nm，ScNbN层2-6nm），构建了13个周期交替的超晶格。采用X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、透射电镜(STEM)验证了外延生长质量，结合变温拉曼光谱解析声子动力学，并通过定制测量系统获取300-800K温区的热电参数。理论计算采用216原子超胞的SQS模型，基于VASP软件进行DFT+ AIMD模拟，用BoltzTrap2代码预测输运性能。

结构表征显示所有样品均保持立方相结构，4.8% Nb样品出现晶格畸变（002峰右侧肩峰）。AFM显示Nb掺杂引发表面形貌演变，1.8%样品出现[111]取向锥形晶粒（RMS粗糙度11.8nm）。STEM-EDX证实Nb选择性富集在特定亚层中（0.4%样品层厚2nm，Nb占比3.6%；4.8%样品层厚6nm，Nb达39.7%），形成清晰的成分调制结构。

拉曼光谱发现Nb掺杂引起TO/LO声子模红移（LO模从673.5 cm^-1降至670.2 cm^-1@1.2% Nb），而温度升高导致LO模反常蓝移（Δω≈15 cm^-1@800K），AIMD模拟表明这是强非谐效应与多层结构声子耦合共同作用的结果。热电测试显示1.8% Nb样品性能最优：Seebeck系数提升81%（-116 μV/K@800K），热导率降低60%（4 Wm^-1K^-1@RT），理论预测其真实ZT值可达0.3，较纯ScN提升50%。

该研究通过"能带工程（Nb掺杂调控费米能级）+声子工程（多层界面散射）"的协同策略，突破了ScN基材料性能瓶颈。特别值得注意的是，Nb的局域化分布模式（仅占总体1.8%但在亚层中达25.6%）比均匀掺杂更有效，这为低浓度掺杂设计提供了新思路。研究成果发表于《Applied Surface Science Advances》，为开发环境友好型高温热电材料开辟了新路径，在汽车尾气发电、工业废热回收等领域具有应用前景。