WS2的层间工程优化混合超晶格的热电性能

《Applied Surface Science》：Interlayer engineering of WS 2 towards optimized thermoelectric performance in hybrid superlattices

通过电化学插层法构建的WS?/有机超晶格材料，通过电子注入、层间解耦和声子散射增强三重机制，显著提升热电性能，实现峰值zT值0.1（343 K），较原WS?材料提升约4000倍。

　　在当今对可再生能源和高效能量转换技术日益增长的需求下，热电材料因其能够直接将温度梯度转化为电能，或反之亦然，而备受关注。这类材料和发电机被认为是可靠、环保且可持续的热能回收和热电冷却技术。热电性能的衡量标准通常涉及一个无量纲的性能指标，即“zT”值，其计算基于塞贝克系数、电导率和热导率。这一指标在评估热电材料的转换效率时至关重要，而进一步优化其性能对于实现高效热电转换具有重要意义。

尽管二硫化钨（WS?）因其较高的塞贝克系数和较高的载流子迁移率而被认为是理想的热电材料之一，但其实际热电性能仍无法完全满足高效热电转换的需求。因此，如何进一步提升WS?的热电性能成为当前研究的热点。在众多策略中，基于层间依赖性的热电性能调控被认为是一个关键途径。层间依赖性指的是在二维范德华（vdW）晶体中，由于层间耦合较弱，其热电性能可能随着层数的变化而发生显著变化。这种特性为设计和制造具有优异热电性能的柔性材料提供了可能性。

近年来，研究人员探索了多种方法来优化热电材料的性能，其中引入周期性空位或替代原子是常见的策略之一。这种方法可以有效地改变材料的能带结构，从而提升其载流子浓度和迁移率。此外，通过电化学插层技术，将有机成分引入到无机材料的范德华间隙中，成为一种新兴且高效的手段。这一策略不仅能够调控材料的电子结构，还能通过多种机制提升其热电性能，例如电子注入、层间解耦以及声子散射的增强。

在本研究中，科研人员采用了一种高效的电化学插层方法，构建了WS?/有机杂化超晶格结构。通过引入不同的有机阳离子，如四乙基铵溴化物（TEAB）、四丙基铵溴化物（TPAB）和四丁基铵溴化物（TBAB），他们成功地实现了对WS?层间结构的调控。这种调控不仅影响了材料的电子性能，还对热导率产生了显著作用。通过多方面的协同效应，研究人员实现了WS?热电性能的大幅提升，其中WS?/TBA杂化超晶格在343 K时的zT值达到了0.1，而原始WS?的zT值仅为1.5×10??。这一显著的提升表明，通过层间工程策略，可以有效地调控WS?以及其他具有弱层间耦合的二维范德华晶体的热电性能。

此外，WS?/有机杂化超晶格不仅表现出优异的热电性能，还具有良好的柔性和热稳定性，使其成为柔性热电转换的理想候选材料。这些特性对于在可穿戴电子、柔性传感器等新兴应用领域具有重要意义。研究人员通过实验方法验证了电化学插层技术在构建这类杂化材料中的有效性，并展示了其在提升材料性能方面的潜力。他们还提到，在之前的实验中，已经成功合成了基于二硒化钨（WSe?）的杂化超晶格，并发现层间工程对材料的电子结构具有显著的调节作用。这表明，通过类似的策略，可以进一步拓展至其他二维材料，为热电材料的设计和开发提供新的思路。

本研究的创新之处在于其通过电化学插层技术，实现了对WS?材料层间结构的精细调控，从而显著提升了其热电性能。与传统的热电材料相比，这种新型杂化超晶格结构不仅在性能上有所突破，还具备良好的柔性和稳定性，使其在实际应用中更具优势。研究人员还提到，通过引入有机成分，可以有效降低材料的平面内晶格热导率，同时提高其电导率，从而在整体上优化热电性能。这一发现为未来热电材料的开发提供了重要的理论支持和实验依据。

在材料合成方面，研究人员使用了化学气相输运（CVT）法制备的WS?单晶作为阴极，并采用铂片作为阳极。通过电化学插层过程，有机阳离子被引入到WS?的层间间隙中，从而构建出具有层间依赖性的杂化超晶格结构。这一过程的关键在于如何控制有机成分的插入深度和分布，以实现最佳的热电性能。通过系统的实验设计和优化，研究人员成功地实现了对WS?材料性能的全面调控，使其在热电转换方面表现出更高的效率。

研究还指出，WS?/有机杂化超晶格的热电性能提升主要归因于多个调节机制的协同作用。其中，电子注入是提升电导率的关键因素，而层间解耦则有助于降低热导率。此外，通过增强声子散射，研究人员进一步减少了材料的热传导能力，从而提高了其热电性能。这些机制的结合不仅提升了WS?的性能，还为其在实际应用中的可行性提供了保障。

从应用角度来看，WS?/有机杂化超晶格的优异性能使其在柔性电子设备、可穿戴技术以及热能回收系统中展现出广阔的应用前景。随着对高性能热电材料需求的不断增长，这种新型材料的设计和开发为实现高效、环保的热电转换提供了新的解决方案。同时，该研究也为其他二维范德华晶体的热电性能优化提供了借鉴，推动了该领域的发展。

综上所述，通过层间工程策略构建WS?/有机杂化超晶格，为提升热电材料的性能提供了新的思路。这种方法不仅能够有效调控材料的电子结构和热传导特性，还具备良好的可扩展性和应用前景。未来，随着对热电材料研究的深入，层间工程策略有望在更多类型的二维材料中得到应用，进一步推动热电技术的发展和实际应用。