曲阜师大新闻中心讯  近日，曲阜师大物理工程学院刘晓兵教授和陈欣教授研究团队在黑磷基柔性热电材料的设计与制备领域取得重要进展，相关研究成果以“Superior Thermoelectric Performance of Black Phosphorus in Elemental Tellurium”与“Enhanced Thermoelectric Performance in Black Phosphorene via Tunable Interlayer Twist”为题，在10月26日分别发表于材料科学国际顶级期刊《Advanced Energy Materials》（JCR一区TOP，IF: 29.698）和《Small》（JCR一区TOP，IF: 15.153）。物理工程学院杨曼曼博士与段帅博士分别为上述论文的第一作者，孙海瑞副教授、陈欣教授与刘晓兵教授为论文的通讯作者，九州平台,九州(中国)一站式服务平台为第一作者与通讯作者的唯一署名单位。

热电材料可实现热能与电能之间的直接转化，在废热回收、解决能源危机、降低环境污染等领域具有重要经济价值与社会意义。热电转化效率主要由品质因子ZT值决定，各物理参数之间存在复杂的强耦合联系，为研发高性能热电材料带来了极大挑战。黑磷独特的层状晶体结构，使其同时具备本征高载流子迁移率、随层数可调的能带带隙、层内及层间物性的强各向异性等特点，对解耦材料的电声耦合存在先天优势。自2019年起，刘晓兵教授团队利用第一性原理计算模拟，通过第五主族元素掺杂（Adv. Funct. Mater. 29(38), 1904346, 2019）、不同原子层数磷烯薄膜调控（Vacuum 183, 109790, 2021）、一维化（Small 16, 2001820, 2020）及构建异质结（ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 18800, 2021）等多种手段，揭示了黑磷基材料沿特定方向（Armchair或Zigzag）具有高热电转换效率，首先从理论上预言了黑磷及其衍生结构具备成为无毒、轻质、柔性高性能热电材料的巨大潜力。

图为转角黑磷烯结构示意图与热电优值ZT

为实现黑磷材料整体热电转换效率的提升，该团队利用黑磷二维层间弱范德华力的结构优势，引入转角自由度对其热电性能进行调节。构建了不同层间转角的双层黑磷烯薄膜结构，引入莫尔超晶格势场，通过密度泛函理论计算发现转角黑磷烯中莫尔势可诱导出平坦的莫尔子带，使电子态密度增大，进而提高温差电动势和电输运性能；同时，莫尔势的引入可以增强非谐声子散射效应，有效降低晶格热导率，500K时黑磷烯的晶格热导率可降低到2.7 W m-1 K-1。这一工作通过莫尔超晶格对电子、声子结构的重构与调制行为，成功实现了黑磷烯整体热电性能的显著提升，为探索二维热电材料提供了更大的可能性与研究空间。相关成果以“层间转角调控实现黑磷烯热电性能的提升”为题发表在Small杂志上（S. Duan et al., Small 202204197, 2022）。该论文第一作者为曲阜师大物理工程学院2021级博士研究生段帅，陈欣教授、刘晓兵教授为该论文的共同通讯作者。

图为黑磷结构引入对单质Te热电转换效率的改善

前期理论研究结果激发了领域内对开展黑磷基热电材料的实验制备与物性研究的兴趣，然而黑磷在空气环境下的低稳定性严重降低了其实际应用前景。近期，该团队选取了单质Te作为基底材料，利用高温高压技术通过掺杂黑磷，成功制备了一系列Te-BP，(Ge)Te-BP，(Ge, Se)Te-BP，(Ge, Sb)Te-BP，(Ge, Se, Sb)Te-BP异质结构。通过原位高温拉曼光谱表征，发现异质结的形成可以有效改善黑磷的稳定性，在空气中可以稳定至610K以上。该工作揭示了黑磷的引入成功实现了对单质Te电学与热学性质的同时改善，从而带来了最高（平均）ZT值的大幅度提升，分别达到79% (157%), 158% (193%), 353% (390%), 30% (20 %) and 49% (30%)。其中，(Ge, Se, Sb)Te-BP结构在610K时，ZT值提升至1.1，是目前单质体系在该测试温度范围内所报道的最高值。这一工作是实验上首次验证黑磷结构在热电转换领域的优越特性，为进一步开发黑磷基高性能热电材料开辟了新方向。相关成果以“黑磷优越的热电性能在单质Te中实现”为题发表在Advanced Energy Materials杂志上（M. Yang et al., Adv. Energy Mater. 202203014, 2022）。该论文第一作者为曲阜师大物理工程学院2019级博士研究生杨曼曼，孙海瑞副教授、刘晓兵教授为该论文的共同通讯作者。

九州平台,九州(中国)一站式服务平台高压物理与材料科学（HPPMS）研究团队成立于2018年，研究领域主要包括极端条件高压技术开发、金刚石类超硬材料的合成与物性、环境友好型热电材料的设计与制备、高压相变与超导、低维材料设计与合成及其在光学、储能等器件开发领域的应用。近五年，团队主持国家自然科学基金9项，山东省自然科学基金12项，在PNAS，Angew. Chem.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Small, Phys. Rev. B等期刊发表SCI学术论文50余篇，获山东省优秀研究生成果奖3项（一等奖1项），5名研究生获国家奖学金，1人获山东省优秀毕业生。

发布：曲阜师大新闻中心

终审：刘永礼