熱電材料是一種能夠實現電能和熱能相互轉化的新能源材料，在廢熱回收發電，熱電制冷等領域有重要應用，特別是在深空探測電力供應、5G通信微制冷及無源傳感領域具有不可替代性。熱電材料的廣泛使用對于提高能源利用率和節能減排實現碳中和具有重要意義。
日前，昆明理工大學材料科學與工程學院金屬先進凝固成形及裝備技術國家地方聯合工程研究中心葛振華教授與南方科技大學何佳清教授合作，創新性的提出了特洛伊摻雜（準同質摻雜）概念，并且成功應用于p型碲化鉍基熱電材料，相關研究以《Highly Effective Solid Solution towards High Thermoelectric and Mechanical Performance in Bi-Sb-TeAlloys via Trojan Doping》為題，發表在英國皇家化學會能源環境領域頂級學術期刊Energy & Environmental Science。昆明理工大學為第一作者單位，材料科學與工程學院碩士研究生石涌才為第一作者，葛振華教授、馮晶教授、何佳清教授為共同通訊作者。
熱電材料的性能調控很大程度上依賴于通過雜質原子固溶實現的載流子濃度調控。但是每種有效摻雜元素在基體中的固溶度有限，阻礙了熱電材料性能的提升。本工作提出了一種新的提高堿金屬元素在碲化鉍中的固溶度的方法：特洛伊摻雜（準同質摻雜）。利用水熱合成的NaBiS2納米帶來代替直接用金屬Na在p型Bi0.42Sb1.58Te3(BST)材料中進行摻雜，一方面克服了金屬Na過于活潑難以直接使用，另一方面還提升了Na元素在BST中的固溶度，實現了高效固溶強化。NaBiS2就像特洛伊木馬一樣，將額外的Na離子引入BST晶格中。通過密度泛函理論(DFT)對缺陷形成能進行分析，發現Na與S之間的配位比Na與Te配位具有更低的缺陷形成能。而后通過晶體軌道漢密頓計算證實了缺陷形成能量的降低是由于Na-S鍵比Na-Te鍵的強度和穩定性更高。證明了S元素在BST基體中具有促進Na元素固溶的作用。Na和S的固溶體在單腿器件中的轉換效率約為6.0%，表明其在多支腿器件中的應用潛力。此外，Na的高效固溶顯著提升了BST材料的熱電性能和力學性能，與純樣品相比，4.0 wt.%NaBiS2摻雜樣品的ZT值提升了58 %；硬度增加了45%。本工作證明了特洛伊摻雜是實現堿金屬元素在熱電材料中高效摻雜的有效手段，并可以被借鑒到其他體系和領域中。本工作為實現高效固溶強化提供了新的策略，為獲得高性能的材料提供了新的途徑。
相關研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、云南省應用基礎研究計劃重點項目、云南省杰出青年基金等項目的資助。葛振華教授課題組長期關注鉍基，錫基，銅基熱電材料的可控合成和性能優化機理，涉及的相關材料的元素組成均是云南省優勢資源，高性能熱電材料的獲得和新的性能優化途徑的提出將為未來大規模產業化奠定基礎，為云南省經濟發展貢獻力量。
論文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ee/d4ee00132j
