热电材料可以在不产生二次污染的前提下实现热能和电能的相互转换，为增加能源利用效率和减轻环境污染提供了潜在的解决方案。然而，较低的能量转换效率制约了该类材料在能源领域的广泛应用。理解并掌握材料热输运和电输运的物理本质，对于该领域的进展具有重要的科学意义。晶界是多晶材料体系中普遍存在的一种面缺陷，由于界面附近三维周期性点阵结构业已破坏，导致严重的原子错排和高度的应力集中，使得晶界处化学势较高。对电输运而言，晶界势垒的存在对载流子有显著的散射效应；对热输运而言，晶粒大小（晶界密度）是影响声子驰豫时间(1/τ = ν/d, ν为声子群速度，d为平均晶粒尺寸)的核心参数。由于电子和声子的波长存在显著的差异，为解耦电声输运提供了可能性。近期研究发现晶界处的无序及应变集中将引起强烈的声子散射，晶粒细化有效地降低了晶格热导率进而优化了热电性能(Science, 2008, 320, 634 – 638)。但是晶粒细化引起的晶界势垒增加，势必增强对载流子的散射作用并大幅降低载流子迁移率(Energy Environ. Sci. 2020, 13, 1250 – 1258)。因此能否最终优化热电性能，取决于如何调控材料中热性能与电性能之间的平衡。尤其是，如何实现在不破坏电输运性能的前提下抑制热传导，仍然是热电领域的核心问题。
针对上述关键科学问题，北京师范大学吴立明教授和陈玲教授课题组选取具有电子晶体-声子玻璃(PGEC)特性的Zintl相化合物InTe为研究对象，首次发现该化合物由晶界散射（GBS）和声学声子散射（APS）共同主导的载流子传输特性。他们借助简化的两相模型（晶界相和晶粒相），揭示了该材料中晶界相本征的电性能和热性能在调制整体“复合相”热电性能中所起的作用。利用低阻晶粒-高阻晶界的两相输运模型，辅以晶界相电阻率随温度增加而降低的设定，合理地解释了该材料电导率之所以呈现先上升后下降的反常行为。进一步，他们通过GBS+APS混合散射模型确认了GBS在低温范围的主导地位，并利用Pisarenko曲线表现出的散射参数依赖关系很好地区分了晶界散射和电离杂质散射两种不同的机制。基于这些认识，他们利用晶粒粗化策略，消除了InTe材料的GBS，获得了纯净的APS以及高载流子迁移率。
进一步地，在消除GBS的基础上，他们利用Ga掺杂优化了InTe材料的热电性能。单抛物线模型分析表明，Ga掺杂显著降低了形变势从而抑制了电声耦合效应，实现了载流子浓度提高的同时提高了迁移率，从而优化PF值（8.9 μWcm-1K-2 at 500 K）。此外DFT计算和低温Cp研究表明，Ga掺杂产生了过剩的光学模，使得声学模频率显著下降，从而增加了三声子散射相空间，最终抑制了热输运；声学模的下移降低了其截止频率，导致第一布里渊区内声学支的局域化，从而降低了声学支对热输运的贡献；此外声学模和光学模的耦合效应增加，进一步抑制了晶格热导率。最终该材料在648 K实现了高ZT值1.2，为截止报道时间，所有已知InTe基材料的最高值。
该工作近期被《德国应用化学》Angewandte Chemie International Edition接收，DOI: 10.1002/anie.202208216. 北京师范大学化学学院、珠海先进材料研究中心为该工作完成单位，通讯作者为吴立明教授和陈玲教授, 第一作者为2020级博士生李凡。该研究得到国家自然科学基金、北师大高层次引进人才基金、化学学院、北京师范大学珠海自然高等研究院、北京市重点实验室、北京市自然科学基金等资金的大力资助，特此感谢。
