铅硫族化合物热电材料

本书简要介绍热电效应的基本原理以及常用的电声输运基本模型，同时结合国内外在铅硫族化合物热电材料领域取得的研究进展，系统阐述该材料体系在电声输运性能方面的调控策略。本书共8章，内容包括热电输运基本原理、铅硫族化合物的晶体结构和能带结构、铅硫族化合物的制备方法、载流子浓度优化与动态掺杂、态密度有效质量优化策略、载流子迁移率优化策略、晶格热导率降低策略、结语及展望。其中，本书重点介绍缺陷能级和间隙原子对载流子浓度的动态优化作用、能带形状优化对态密度有效质量和载流子迁移率关系的平衡调控作用，以及能带锐化和微缺陷结构对协同调控载流子迁移率与晶格热导率的作用。本书将热电基本理论与高性能铅硫族化合物热电材料的设计相结合，并对铅硫族化合物热电材料的研究现状以及需要解决的问题提出基本思考，有助于铅硫族化合物热电材料未来的发展。

　　本书可供从事热电材料研究和器件研发的科研工作者、热电产业工作者参考学习，也可作为高等院校物理、化学、材料等相关专业的教学参考用书。

赵立东 北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国 家级青年人才计划（2015）入选者，北京市杰出青年科学基金（2018）和国家杰出青年科学基金（2019）获得者，获北京市师德先锋（2016）、国际热电学会青年科 学家奖（2017）、国 家级人才计划特聘教授（2018）、科学探索奖（2022）、北京市优 秀博士学位论文指导教师（2022）、科睿唯安“全球高被引科 学家”（2019—2023）、国际材料研究学会联盟（IUMRS）前沿材料青年 科 学家奖（2023）、北京市优 秀研究生指导教师（2023）、何梁何利基金科学与技术创新奖（2023）。主要研究方向为开发宽温域高 效温差发电和热电制冷材料。已在Nature 、Science等期刊上发表300余篇研究成果，担任Materials Lab创刊主编。 肖钰 电子科技大学材料与能源学院特聘研究员、博士生导师。研究方向为热电能源材料，重点关注缺陷结构、能带结构、晶体各向异性对电声传输的解耦规律。已在Science、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Energy & Environmental Science等期刊上发表论文50余篇。 钱鑫 河北大学校聘教授、硕士生导师。博士毕业于北京航空航天大学，曾获CSC奖学金，前往美国密歇根大学进行联合培养。主要从事新型热电材料的设计与性能优化研究，以第 一作者或通信作者身份发表十余篇论文，主持国家自然科学基金青年科学基金项目、河北省引进留学人员资助项目等。

第 1章　热电输运基本原理　1

1.1　引言　1

1.2　热电效应　2

1.2.1　泽贝克效应　2

1.2.2　佩尔捷效应　2

1.2.3　汤姆孙效应　3

1.3　热电输运理论　4

1.3.1　热电相关参数　4

1.3.2　载流子输运的能带模型　5

1.3.3　声子输运模型　16

1.4　本章小结　22

1.5　参考文献　22

第　2章 铅硫族化合物的晶体结构和能带结构　24

2.1　引言　24

2.2　晶体结构　24

2.3　能带结构　25

2.3.1　电子能带结构　25

2.3.2　声子能带结构　30

2.4　本章小结　34

2.5　参考文献　35

第3章　铅硫族化合物的制备方法　47

3.1　引言　47

3.2　机械合金化　47

3.3　熔融反应法　52

3.4　化学反应法　56

3.5　本章小结　60

3.6　参考文献　61

第4章　载流子浓度优化与动态掺杂　64

4.1　引言　64

4.2　铅硫族化合物的载流子浓度优化　65

4.2.1　N型掺杂优化载流子浓度　65

4.2.2　P型掺杂优化载流子浓度　66

4.3　缺陷能级动态优化载流子浓度　66

4.3.1　PbTe中In掺杂缺陷能级　66

4.3.2　PbTe中Ga掺杂缺陷能级　82

4.4　间隙原子动态优化载流子浓度　88

4.4.1　PbTe中间隙Cu原子动态掺杂　88

4.4.2　PbSe中间隙Cu/Zn/Ni原子动态掺杂　93

4.5　本章小结　102

4.6　参考文献　103

第5章　态密度有效质量优化策略　113

5.1　引言　113

5.2　多能带简并　113

5.2.1　PbTe-MgTe中的价带简并　114

5.2.2　PbSe-CdSe中的价带简并　120

5.3　能带扁平化　123

5.3.1　PbTe-MnTe中的能带扁平化　124

5.3.2　PbSe-CdSe中的能带扁平化　136

5.4　共振能级　146

5.4.1　PbTe-Tl中的共振能级　147

5.4.2　PbSe-Al中的共振能级　148

5.5　能量过滤效应　152

5.6　本章小结　153

5.7　参考文献　153

第6章　载流子迁移率优化策略　165

6.1　引言　165

6.2　能带锐化　165

6.2.1　(Pb1-xSnx)(Te1-xSex)中的能带锐化　166

6.2.2　Pb1-xSnxSe中的能带锐化　174

6.2.3　Pb1-xSnxS中的能带锐化　184

6.3　能带对齐　188

6.3.1　PbTe-SrTe中的价带对齐　188

6.3.2　PbSe-CdS中的价带对齐　191

6.3.3　PbS-PbTe中的导带对齐　195

6.4　本章小结　196

6.5　参考文献　197

第7章　晶格热导率降低策略　207

7.1　引言　207

7.2　原子尺度缺陷结构设计　208

7.2.1　原子置换点缺陷　209

7.2.2　间隙原子点缺陷　216

7.3　位错缺陷结构设计　220

7.3.1　Pb1-xSb2x/3Se的位错缺陷结构　221

7.3.2　Pb0.95Sb0.033Se0.6Te0.4的位错缺陷结构　222

7.4　纳米缺陷结构设计　226

7.4.1　PbTe-CaTe/BaTe的纳米缺陷结构　227

7.4.2　PbS-ZnS/CdS的纳米缺陷结构　232

7.5　全尺度缺陷结构设计　237

7.5.1　PbTe-SrTe的全尺度缺陷结构　239

7.5.2　PbSe-PbS的全尺度缺陷结构　243

7.6　本章小结　247

7.7　参考文献　247

第8章　结语及展望　259

本书简要介绍热电效应的基本原理以及常用的电声输运基本模型，同时结合国内外在铅硫族化合物热电材料领域取得的研究进展，系统阐述该材料体系在电声输运性能方面的调控策略。本书共8章，内容包括热电输运基本原理、铅硫族化合物的晶体结构和能带结构、铅硫族化合物的制备方法、载流子浓度优化与动态掺杂、态密度有效质量优化策略、载流子迁移率优化策略、晶格热导率降低策略、结语及展望。其中，本书重点介绍缺陷能级和间隙原子对载流子浓度的动态优化作用、能带形状优化对态密度有效质量和载流子迁移率关系的平衡调控作用，以及能带锐化和微缺陷结构对协同调控载流子迁移率与晶格热导率的作用。本书将热电基本理论与高性能铅硫族化合物热电材料的设计相结合，并对铅硫族化合物热电材料的研究现状以及需要解决的问题提出基本思考，有助于铅硫族化合物热电材料未来的发展。

　　本书可供从事热电材料研究和器件研发的科研工作者、热电产业工作者参考学习，也可作为高等院校物理、化学、材料等相关专业的教学参考用书。

赵立东 北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，国 家级青年人才计划（2015）入选者，北京市杰出青年科学基金（2018）和国家杰出青年科学基金（2019）获得者，获北京市师德先锋（2016）、国际热电学会青年科 学家奖（2017）、国 家级人才计划特聘教授（2018）、科学探索奖（2022）、北京市优 秀博士学位论文指导教师（2022）、科睿唯安“全球高被引科 学家”（2019—2023）、国际材料研究学会联盟（IUMRS）前沿材料青年 科 学家奖（2023）、北京市优 秀研究生指导教师（2023）、何梁何利基金科学与技术创新奖（2023）。主要研究方向为开发宽温域高 效温差发电和热电制冷材料。已在Nature 、Science等期刊上发表300余篇研究成果，担任Materials Lab创刊主编。 肖钰 电子科技大学材料与能源学院特聘研究员、博士生导师。研究方向为热电能源材料，重点关注缺陷结构、能带结构、晶体各向异性对电声传输的解耦规律。已在Science、Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Energy & Environmental Science等期刊上发表论文50余篇。 钱鑫 河北大学校聘教授、硕士生导师。博士毕业于北京航空航天大学，曾获CSC奖学金，前往美国密歇根大学进行联合培养。主要从事新型热电材料的设计与性能优化研究，以第 一作者或通信作者身份发表十余篇论文，主持国家自然科学基金青年科学基金项目、河北省引进留学人员资助项目等。