北京
近室溫熱電材料能夠實現熱能與電能的直接轉換，在深空探測、工業余熱回收、可穿戴設備自供能等戰略領域具有重要應用價值。以碲化鉍為代表的傳統材料面臨資源稀缺、效率瓶頸等挑戰，而鎂基熱電材料——特別是p型α-MgAgSb——因其優異的熱電性能、資源豐富和力學強度，成為最具潛力的替代體系之一。然而，α-MgAgSb的電輸運性能長期不盡如人意，室溫功率因子僅約20 μW cm?1 K?2，遠低于理論預期。其根源在于：合成過程中Ag空位濃度受熱力學固溶度限制難以自然提升，導致載流子濃度偏低（約4×101? cm?3）。傳統化學摻雜策略在該體系中面臨巨大挑戰，因為弱化學鍵和異質原子極低的固溶度使得有效調控載流子濃度極為困難。
針對上述難題，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心趙懷周研究員團隊提出了一種無需化學摻雜的“相變自摻雜”效應。研究發現，α-MgAgSb在高溫下發生α→β相變，兩相中Ag空位的形成能存在顯著差異。通過在相變溫度附近（593 K）進行退火處理，β相中Ag空位的形成能大幅降低，空位濃度得以提升；隨后快速淬火至室溫α相，這些空位被有效“凍結”并保留下來。這一相變過程中的“組分不可逆”特性，實現了空穴載流子濃度的定向調控。
基于“相變自摻雜”效應，團隊成功將α-MgAgSb的空穴濃度從4.5×101? cm?3顯著提升至1.3×102? cm?3，激活了多個價帶能谷，提升了載流子有效質量，使室溫功率因子提高約35%，達到30 μW cm?1 K?2，創下該材料的歷史最高紀錄。利用優化后材料制備的單臂熱電器件，在285 K溫差下實現了10.7%的轉換效率和71.1 mW cm?2的最大功率密度。據悉，這是首次報道基于相變退火工藝、無需化學摻雜即可有效調控載流子濃度并提升熱電性能的研究工作。
圖：(a) MgAgSb在593K相變溫度以上退火后冷卻回到300K的晶體結構演變過程。(b) α-MgAgSb的計算能帶二維結構圖，以及退火后測量載流子濃度從n?~4.3×101??cm?3 提升至n?~1.3×102? cm?3，右側顯示三維極值區能帶簡并度數量由8個增加至14個。(c)室溫條件下計算與實驗得到的功率因子及載流子濃度之間的對應關系。(d)近室溫溫差條件下基于α-MgAgSb的不同文獻報道的器件發電效率和約化功率密度(Pd·L)與同本工作的比較示意圖。
相關成果以“Boosting the thermoelectric performance of α-MgAgSb through phase-transition-induced self-doping”為題發表于《Physical Review X》。物理所博士生郭凱煒與華中科技大學王天宇為共同第一作者，趙懷周研究員、華中科技大學劉德歡教授、物理所李俊副研究員為共同通訊作者。該工作得到了北京市科技計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國科學院的資助支持。
編輯：LYang
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