矩阵平坦化策略实现塑性Cu2Se/SnSe复合材料的高热电性能

本研究针对Cu2Se基热电材料存在的Cu空位迁移、载流子迁移率低等问题，通过创新性提出"矩阵平坦化"策略，在Cu2Se/Sn0.96Pb0.01Zn0.03Se复合材料中实现了晶格空位消除与准相干界面构建。该研究创纪录地实现了ZT值3.3（973K）和12%压缩应变，同时通过SnSe次级相捕获Cu离子显著提升了材料稳定性，为设计高性能塑性热电材料提供了新思路。

　　在能源危机与环境保护的双重压力下，热电材料因其能够实现热能与电能直接转换的特性备受关注。Cu₂Se作为典型的"电子晶体-声子液体"材料，虽然具有本征低热导率优势，却长期受困于三个关键科学问题：Cu空位导致的载流子迁移率低下、Cu离子迁移引发的材料不稳定、以及传统半导体材料的脆性问题。这些问题严重制约了其实际应用。南京理工大学的研究团队创新性地提出"矩阵平坦化"策略，通过构建Cu₂Se/Sn_0.96Pb_0.01Zn_0.03Se复合材料，不仅解决了上述难题，还创下了热电优值ZT=3.3（973K）的新纪录，相关成果发表在《Nature Communications》。

研究团队主要采用了四种关键技术方法：通过熔融法和水热法两步制备复合材料；利用球差校正扫描透射电镜（HAADF-STEM）表征原子级结构；采用塞贝克系数/电导率联合测试系统测量热电性能；结合第一性原理计算分析缺陷形成能和电荷密度分布。特别通过200个晶粒的SEM统计确定了SnSe次级相的尺寸分布（794nm-4.4μm）。

在"晶体结构与相描述"部分，XRD和STEM分析证实Sn原子填充了Cu₂Se基质中的Cu空位，形成Sn_Cu缺陷复合体（形成能仅0.07eV），实现了晶格平坦化。这一发现通过原子分辨率HAADF图像得到直接验证，其中Cu位点强度分布均匀化证实了空位消除。

"电学传输性能"研究显示，工作函数差异（Cu₂Se:5.16eV vs Sn_0.96Pb_0.01Zn_0.03Se:4.38eV）使载流子浓度优化至1.5×10²⁰ cm^-3，同时室温载流子迁移率提升至33.7 cm²·V^-1·s^-1（纯相材料的3倍）。这种协同优化使功率因子达到16.22 μW·cm^-1·K^-2（973K）。

"热传输性能"分析表明，准相干界面导致声子平均自由程从2.52nm降至0.79nm，使晶格热导率显著降低。声速测试显示纵向和横波声速同步下降，证实了界面引起的声子软化效应。

"微观结构表征"部分通过STEM揭示了三个关键特征：SnSe次级相与基体的原子级平坦界面、高密度纳米孪晶（<10nm间距）、以及位错网络。这些结构特征分别对应不同频段声子的散射中心，实现了全频谱声子散射。

在"增强的热电性能与机械性能"部分，材料展现出172.45MPa的抗压强度（纯相的4倍）和12%的压缩应变，这归因于纳米孪晶提供的额外滑移系。稳定性测试显示，在333分钟25A/cm²电流场作用下，复合材料的电阻变化率比纯相低60%，DFT计算证实这是由于SnSe中暴露的Se原子通过键合作用捕获迁移的Cu离子。

该研究的突破性体现在三个方面：理论层面首次提出"矩阵平坦化"概念，通过Sn原子填充Cu空位解决了载流子散射难题；方法学上创建了"准相干界面"设计原则，实现了声子散射与载流子传输的解耦优化；应用层面同步攻克了热电材料"高性能-高塑性-高稳定性"的不可能三角。特别是12%的压缩应变使材料具备加工成柔性器件的潜力，为可穿戴热电设备开发提供了新材料体系。这些发现不仅适用于Cu₂Se体系，也为其他离子导体热电材料的设计提供了普适性策略。