【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】高性能熱電材料的實(shí)際應(yīng)用不僅依賴于優(yōu)異的能量轉(zhuǎn)換效率，還高度依賴于材料在加工、組裝、焊接和熱循環(huán)服役過(guò)程中的機(jī)械可靠性。對(duì)于SnTe、PbTe、GeTe、Bi2Te3等重硫族化物熱電材料而言，超價(jià)鍵特征賦予其優(yōu)異的電輸運(yùn)性能和本征低晶格熱導(dǎo)率，但也帶來(lái)了結(jié)構(gòu)柔軟、抗剪切能力弱、脆性明顯等問(wèn)題。傳統(tǒng)合金化和納米結(jié)構(gòu)策略雖然能夠有效降低晶格熱導(dǎo)率，卻常常進(jìn)一步引入隨機(jī)無(wú)序、界面缺陷和局域應(yīng)力集中，導(dǎo)致材料在器件制備和服役過(guò)程中容易發(fā)生開(kāi)裂或失效。
 

　　因此，如何在保持高熱電性能的同時(shí)提升材料力學(xué)強(qiáng)度和服役穩(wěn)定性，是SnTe 基及其他超價(jià)鍵熱電材料走向?qū)嶋H應(yīng)用必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。近年來(lái)，高熵與中熵設(shè)計(jì)為這一難題提供了新的思路：通過(guò)構(gòu)型熵穩(wěn)定復(fù)雜固溶體，并利用不同元素的尺寸、價(jià)態(tài)和溶解度差異，引導(dǎo)多尺度缺陷結(jié)構(gòu)的有序演化，有望突破傳統(tǒng)“高性能—低可靠性”的限制。
 

　　然而，高熵并不等同于簡(jiǎn)單地增加元素?cái)?shù)量或制造隨機(jī)無(wú)序。真正有效的熵工程需要回答三個(gè)核心問(wèn)題：引入哪些元素、以何種順序引入、最終形成何種缺陷結(jié)構(gòu)。只有將熵穩(wěn)定效應(yīng)與元素化學(xué)特性相結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)電子輸運(yùn)、聲子散射和力學(xué)強(qiáng)化機(jī)制的同步調(diào)控。
 

　　近日，西安交大金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和材料學(xué)院孫軍院士、丁向東教授、武海軍教授團(tuán)，在國(guó)際材料學(xué)期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上發(fā)表題為《熵調(diào)控分級(jí)缺陷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn) SnTe 合金熱電與力學(xué)性能雙重增強(qiáng)》(“Entropy-Enabled Hierarchical Defect Architecture for Dual Enhancement of Thermoelectric and Mechanical Performance in SnTe Alloys”)的研究論文。該工作以SnTe基熱電材料為模型體系，提出“熵驅(qū)動(dòng)層級(jí)缺陷結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)策略，實(shí)現(xiàn)了熱電性能與力學(xué)性能的同步增強(qiáng)。
 

　　該工作中，研究團(tuán)隊(duì)并非簡(jiǎn)單追求高組分復(fù)雜度，而是將構(gòu)型熵作為穩(wěn)定復(fù)雜單相固溶體的熱力學(xué)平臺(tái)，并進(jìn)一步利用GeSe、Sb、Cd等元素在尺寸、價(jià)態(tài)和溶解度方面的差異，逐級(jí)引導(dǎo)缺陷結(jié)構(gòu)演化。首先，GeSe合金化在SnTe基體中引入強(qiáng)局域晶格畸變和0D替位原子團(tuán)簇，增強(qiáng)高頻聲子散射；隨后，Sb摻雜雖然與 Sn 具有相近的原子半徑和質(zhì)量，但其異價(jià)取代特征可引發(fā)局域應(yīng)力場(chǎng)和缺陷重排，促進(jìn)晶界附近1D位錯(cuò)陣列形成；進(jìn)一步引入Cd后，由于其固溶度受限，冷卻過(guò)程中形成與SnTe基體共格的3D (Cd,Ge)Se納米析出相。由此，材料內(nèi)部構(gòu)建了從原子尺度局域畸變、替位原子團(tuán)簇，到位錯(cuò)陣列和共格納米析出相的層級(jí)缺陷結(jié)構(gòu)。
 

　　這一層級(jí)缺陷結(jié)構(gòu)在熱輸運(yùn)、電輸運(yùn)和力學(xué)行為中發(fā)揮了多重作用。0D點(diǎn)缺陷和替位團(tuán)簇主要散射高頻聲子，1D位錯(cuò)陣列有效散射中頻聲子并貢獻(xiàn)應(yīng)變硬化，3D共格納米析出相進(jìn)一步散射聲子并釘扎位錯(cuò)、阻礙位錯(cuò)滑移。同時(shí)，共格界面保持了良好的晶格連續(xù)性，避免了嚴(yán)重的載流子界面散射。得益于這種多尺度協(xié)同機(jī)制，優(yōu)化成分Sn0.91Cd0.03Sb0.09Te(GeSe)0.25在873 K下獲得低至0.26 W·m?¹·K?¹ 的晶格熱導(dǎo)率，峰值z(mì)T達(dá)到1.7。
 

　　更重要的是，該材料在保持高熱電性能的同時(shí)顯著提升了力學(xué)強(qiáng)度。優(yōu)化樣品的壓縮屈服強(qiáng)度達(dá)到220 MPa，相比原始SnTe的120 MPa 提升約83%，同時(shí)仍保持合理塑性。原位TEM微柱壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步顯示，Cd摻雜樣品在納米尺度下表現(xiàn)出優(yōu)異的抗變形能力和位錯(cuò)—析出相相互作用，證實(shí)共格納米析出相與位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)能夠協(xié)同實(shí)現(xiàn)載荷傳遞、位錯(cuò)釘扎和裂紋抑制。器件驗(yàn)證方面，基于優(yōu)化SnTe材料構(gòu)筑的單腿器件在ΔT = 550 K下實(shí)現(xiàn)約7.2% 的轉(zhuǎn)換效率和約30 mW的輸出功率。
 

　　該成果提出了“熵驅(qū)動(dòng)層級(jí)缺陷結(jié)構(gòu)”策略，實(shí)現(xiàn)從隨機(jī)合金化到定向缺陷構(gòu)筑的轉(zhuǎn)變，建立了電輸運(yùn)、聲子散射與力學(xué)強(qiáng)化的多尺度協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了SnTe 基材料高熱電性能、高器件效率和高力學(xué)強(qiáng)度的統(tǒng)一。
 

　　該工作明確指出，熵工程的核心不應(yīng)只是增加元素?cái)?shù)量或提升組分復(fù)雜度，而應(yīng)將構(gòu)型熵作為穩(wěn)定復(fù)雜單相固溶體的熱力學(xué)平臺(tái)，再利用不同合金元素的尺寸效應(yīng)、價(jià)態(tài)差異和溶解度限制，引導(dǎo)特定缺陷結(jié)構(gòu)逐級(jí)形成。研究團(tuán)隊(duì)在SnTe中構(gòu)建了0D替位原子團(tuán)簇、1D位錯(cuò)陣列和3D共格納米析出相組成的層級(jí)缺陷結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從“隨機(jī)無(wú)序合金化”向“定向缺陷架構(gòu)設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變。這一策略為高熵?zé)犭姴牧显O(shè)計(jì)提供了更清晰的物理圖像：高熵不是目的，而是穩(wěn)定復(fù)雜基體和引導(dǎo)缺陷演化的手段。
 

　　傳統(tǒng)熱電優(yōu)化策略往往重點(diǎn)關(guān)注降低晶格熱導(dǎo)率，而對(duì)載流子遷移率保持和力學(xué)可靠性考慮不足。該工作通過(guò)層級(jí)缺陷結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多重功能協(xié)同：替位原子團(tuán)簇增強(qiáng)局域應(yīng)力漲落并散射高頻聲子。位錯(cuò)陣列散射中頻聲子并貢獻(xiàn)應(yīng)變硬化。共格 (Cd,Ge)Se納米析出相進(jìn)一步散射聲子，同時(shí)通過(guò)位錯(cuò)釘扎和載荷傳遞提升力學(xué)強(qiáng)度。更重要的是，共格界面保持了晶格連續(xù)性，避免了嚴(yán)重載流子散射，使材料能夠在低晶格熱導(dǎo)率、高功率因子和高力學(xué)強(qiáng)度之間取得平衡。這一機(jī)制突破了傳統(tǒng)缺陷工程中增強(qiáng)聲子散射往往損害電輸運(yùn)和力學(xué)可靠性的局限。
 

　　該工作優(yōu)化成分Sn0.91Cd0.03Sb0.09Te(GeSe)0.25實(shí)現(xiàn)了0.26 W·m?¹·K?¹ 的超低晶格熱導(dǎo)率、1.7的峰值z(mì)T和0.73的平均zT。同時(shí)，材料壓縮屈服強(qiáng)度達(dá)到220 MPa，相比原始SnTe提升約83%。在器件層面，單腿器件和多腿器件分別實(shí)現(xiàn)約7.2%和5.7%的轉(zhuǎn)換效率。該結(jié)果證明，熱電材料的性能優(yōu)化不應(yīng)局限于zT單一指標(biāo)，而應(yīng)面向?qū)嶋H應(yīng)用同步考慮熱電轉(zhuǎn)換、機(jī)械可靠性和器件穩(wěn)定性。該工作為亞穩(wěn)價(jià)鍵熱電材料以及其他脆性功能材料的強(qiáng)韌化與高效化協(xié)同設(shè)計(jì)提供了可推廣的新路徑。
 

　　西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文第一單位，張儀華、彭古揚(yáng)及張楊為論文共同第一作者，武海軍教授、孫軍院士和丁向東教授為論文共同通訊作者。該工作致謝西安交通大學(xué)分析測(cè)試中心的支持。
 

　　引用：西安交大金屬材料強(qiáng)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在強(qiáng)韌高效熱電材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得進(jìn)展 西安交通大學(xué) 【引用時(shí)間：2026年9月10日】