通过减弱SOC消除能带反转达成Bi0.6Sb0.4Te的高室温热电性能

热电材料是一种利用废热发电以及用电制冷的环境友好型材料，利用其体积小、无污染等优点可替代传统的制冷压缩机，实现制冷设备小型化；尤其是物联网，传感器等的应用对室温热电性能提出较高的需求。

热电性能由无量纲参数ZT值描述，，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为热力学温度，κtot为总的热导率。然而，当前具有本征高性能的室温热电材料还比较稀缺，一般需要对材料进行掺杂优化等方式调节室温热电性能。但是随着掺杂浓度增加，提高S的同时会增加载流子的散射，降低载流子迁移率（μ），恶化σ。因此S和μ之间的协同优化，是一个巨大的挑战。

BiTe是[Bi2]m[Bi2Q3]n家族（J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 12536−12543.）中的一员，其晶体结构由金属性的[Bi2]双铋层次结构以及半导体性质的[Bi2Te3]层次结构沿晶体c轴堆积而成，表现了拓扑晶体绝缘体以及弱拓扑绝缘体的双重行为。但是由于组成元素之间存在自旋轨道耦合（SOC）效应，BiTe在第一布利渊区Γ-A方向能带轨道组份反转，产生0.1 eV的带隙，致使其ZT峰值出现在中高温区域（550 K）。北京师范大学化学学院吴立明教授和陈玲教授研究发现由于Sb元素质量较轻，相比BiTe，化合物SbTe具有较弱的SOC效应。对BiTe进行Sb掺杂，可以抑制Γ-A区间的能带反转，从而减小材料能隙。实验研究表明，Sb掺杂到BiTe晶体结构中的Bi位点，不仅消除了能带反转，还实现S和载流子迁移率（μ）的协同优化。当x = 0.2, 0.3, 0.4时，价带和导带出现能量分别为-0.038，-0.10和-0.11 eV的重叠（Eol），导致Bi1-xSbxTe的S峰值向室温移动了150 K，从525、425 K降低到376 K。

电子结构计算研究发现，随着x变化，CBΓ-A的成分不再以[Bi2]金属层的贡献为主（x = 0，占比90 %），而是以[(BiSb)2Te3]半导体层的贡献为主（x = 0.4，占比为97 %）；而VBΓ-A的成分从x = 0时[Bi2Te3]半导体层为主（占比97 %），变为以[(BiSb)2]金属层为主（x = 0.4, 占比77 %）。这样的能带组成变化，也影响了轨道成键特性。当x = 0时，BiTe的CBΓ-A主要由px, py形成的π*键组成；而x = 0.4时，Bi1-xSbxTe 的CBΓ-A主要由pz轨道的σ*键组成。由于σ*键轨道重叠程度大于π*键的，增加了CBΓ-A区间能带斜率，有效质量从3.47 me减小到0.5 me，使得室温μ从58增加到92 cm2 V-1 s-1。Sb掺杂消除能带反转、增加费米能级附近DOS斜率((dn(E))/dE)，降低载流子浓度，使得S从33增加到124 μV/K。因此Sb掺杂消除BiTe的能带反转，实现了S和μ的协同优化，使室温PF值提高约3倍。此外，基于二阶力常数以及三阶力常数的材料声子谱研究，发现Sb掺杂有效地减小声子寿命、增强非简谐振动，降低晶格热导率，从而将Bi0.6Sb0.4Te的室温ZT值提高到0.4。进一步通过Sb/Se共掺杂，室温ZT值提升到0.6左右。基于SPB模型预测，该材料ZT值可以达到0.7左右，表现了较好的室温热电性能。

该工作近期被《德国应用化学》杂志Angew. Chem. Int. Ed.以“Room-Temperature High-Performance Thermoelectric Bi0.6Sb0.4Te: Elimination of Detrimental Band Inversion in BiTe”为标题接收发表(DOI：10.1002/anie.202218019 and 10.1002/ange.202218019)，北京师范大学珠海校区先进材料研究中心、北京师范大学化学学院为该工作第一完成单位，第一作者为北京师范大学珠海博士后贾斐博士，通讯作者为吴立明教授、陈玲教授。该研究得到国家自然科学基金面上项目、青年基金，科技部国家重点研发计划的支持，特此感谢。