南京理工大学唐国栋教授Nature Communications：基体晶格平整化在复合材料中实现高热电性能

【导读】

热电材料具有可实现热能与电能直接相互转换的功能，热电转换技术具有无需传动部件、无噪音、无污染、无磨损、可靠性、便于集成化等诸多突出优点，在温差发电与固态制冷领域有重要应用，可广泛应用于工业余废热回收利用、深空探测、5G/6G 通信光模块精确控温、精确制导、光纤激光器等关键领域。复合热电材料的相界面虽然可以有效降低材料的晶格热导率，然而相界面导致强的载流子散射，使得材料载流子迁移率明显下降，导致复合材料较低的热电性能。探索解决复合热电材料导电和导热的矛盾，解耦电声输运，成为复合热电材料研究的面临的关键科学问题。

【成果掠影】

南京理工大学唐国栋教授团队提出了基体晶格平整化概念，创新性地设计了Cu₂Se/SnSe复合材料，在复合材料中通过降低Cu₂Se材料中的空位浓度，使得Cu₂Se基体相的晶格平整化，大幅削弱了晶格缺陷对载流子的散射，实现了复合材料载流子迁移率和热电性能的显著提升。理论计算表明Sn_0.96Pb_0.01Zn_0.03Se复合相的Sn原子填充Cu₂Se基体相的Cu空位的形成能极低，Sn原子极易进入Cu₂Se基体相的Cu空位，进一步通过球差电镜证实，复合相SnSe中的Sn原子填补了Cu₂Se基体中的Cu空位，使得Cu₂Se基体晶格平整化，通过该策略大幅提升了材料的载流子迁移率，明显提高了材料的电导率和功率因子，复合材料的最大功率因子高达16.22 μW·cm^-1·K^-2。同时微结构表征发现复合材料两相之间形成了准共格平直界面，能够在不影响载流子迁移率的前提下强烈散射声子，使材料在保持优异电性能的同时获得了低晶格热导率。电声输运的协同优化使Cu₂Se/SnSe复合材料在973 K下热电优值达到3.3。在Cu₂Se/SnSe复合材料中还观察到了高密度的纳米孪晶结构，赋予该材料优异的塑性变形能力，其压缩应变达到12%，相比于Cu₂Se基体材料提升了4倍。理论计算揭示了复合相SnSe中的Se原子能够捕获基体Cu₂Se中迁移的Cu离子，抑制其长程迁移扩散，经实验证实Cu₂Se/SnSe复合材料展现了良好的稳定性。研究成果为设计高热电性能、高稳定性、可加工的复合热电材料提供了全新范式，对推动固态热电器件的广泛应用具有重要意义。该工作

相关研究成果以题为“Matrix Plainification Leads to High Thermoelectric Performance in Plastic Cu₂Se/SnSe Composites”发表于Nature Communications 2025, 16, 3305。

南京理工大学为该论文的第一作者单位和第一通讯单位，南京理工大学唐国栋教授，西安交通大学武海军教授为共同通讯作者。其他合作者包括南京理工大学冯涛教授，曲阜师范大学张永胜教授，南京工业大学宋坤教授等。

【核心创新点】

1、提出了基体晶格平整化提升复合材料热电性能方法，大幅削弱晶格缺陷对基体相载流子的散射，显著提升复合材料载流子迁移率和热电性能，其ZT值达到3.3。

2、通过在复合相与基体间构建准共格平直界面，既能强烈散射声子，抑制材料的晶格热导率，又不明显影响载流子迁移率。

3、通过引入纳米孪晶结果使材料具有良好的塑性。

4、SnSe复合相中的Se原子能够捕获基体Cu₂Se中迁移的Cu离子，抑制其长程迁移扩散，从而使复合材料具有良好的稳定性。

【数据概览】

图1  基体晶格平整化实现了Cu₂Se/SnSe复合材料载流子迁移率和热电性能的显著提升。

图2  Cu₂Se/SnSe复合材料的电热传输性能。

Cu₂Se/SnSe复合材料具有优异的电输运性能，变温霍尔测试结果表明，基体晶格平整化大大提升了全温区载流子迁移率，使得Cu₂Se/SnSe复合材料电导率和功率因子明显提升。同时，该复合材料的热导率和晶格热导率明显降低，该策略明显解耦了其电声输运。

图3  微结构表征证实了Cu₂Se基体晶格平整化。

球差电镜结果表明，复合相SnSe中的Sn原子填补了Cu₂Se基体中的Cu空位，使得基体晶格平整化。

图4  Cu₂Se/5 wt.% Sn_0.96Pb_0.01Zn_0.03Se的微结构表征。

电镜结果显示复合相与基体间形成准共格平直界面，在不明显影响载流子迁移率的情况下强烈散射声子，同时在材料中发现了大量的纳米孪晶和位错等，这些因素使得Cu₂Se/SnSe复合材料中呈现低晶格热导率。

图5  Cu₂Se/SnSe复合材料的热电优值和力学性能。

利用基体晶格平整化策略显著提升了材料的ZT值，Cu₂Se/SnSe复合材料在973 K的ZT值达到3.3。此外，高密度的纳米孪晶结构使材料呈现优异的塑性，压缩应变达到12%，相比于Cu₂Se材料提升了4倍。

图6  Cu₂Se/SnSe复合材料稳定性测试和理论验证。

研究发现Cu₂Se/SnSe复合材料具有良好的稳定性，理论计算表明SnSe复合相中的Se原子能够捕获基体Cu₂Se中迁移的Cu离子，抑制其长程迁移扩散，从而使材料具有良好的稳定性。

【成果启示】

综上所述，该工作成功设计了具有高热电性能、良好塑性和稳定性的Cu₂Se/SnSe复合热电材料。提出在复合材料中通过基体晶格平整化策略，大幅提升载流子迁移率，优化复合材料的电导率和功率因子。此外，在复合材料中构建了准共格平直界面引起强声子散射，从而在保持高电输运性能的同时获得了低晶格热导率，这一电声协同优化方法明显提升了复合材料的热电性能。值得注意的是，复合材料中的高密度纳米孪晶显著提高了材料塑性。高塑性赋予了材料较大的可变形性、可加工性和可切削性，从而大大延长材料的使用寿命，在柔性热电方面具有巨大潜力。此外，通过第二相的引入，成功抑制了超离子导体Cu₂Se中Cu离子的长程迁移，提高了复合材料的高温稳定性。

论文信息

Matrix Plainification Leads to High Thermoelectric Performance in Plastic Cu₂Se/SnSe Composites

Pan Ying^#, Qingyang Jian^#, Yaru Gong, Tong Song, Yuxuan Yang, Yang Geng, Junquan Huang, Rongxin Sun, Chen Chen, Tao Shen, Yanan Li, Wei Dou, Congmin Liang, Yuqi Liu, Deshang Xiang, Tao Feng, Xiaoyu Fei, Yongsheng Zhang, Kun Song, Yang Zhang, Haijun Wu^*, Guodong Tang^* Nature Communications 2025, 16, 3305。

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58484-0

DOI：10.1038/s41467-025-58484-0