热-电能源转换技术是在外场（温度场）作用下利用固体内部载流子定向迁移，实现热能与电能直接转换，因此是一种典型的清洁能源技术。热电器件的输出功率取决于材料在工作温度区间的电输运性能，因此提高材料在宽温域内的电输运性能是提高热电器件性能的关键。然而，宽温域电输运性能优化并不容易实现，传统的静态掺杂方式仅能够优化单一温度点的载流子浓度。在前期的研究工作中，骆军教授课题组发现了“动态原子”Cu掺杂的PbSe体系具有一系列新奇的电热输运性能，并提出了热电材料的“dynamic doping”概念（Energy & Environmental Science 2018, 11, 1848-1858），该工作揭示了“dynamic doping”有望作为一种基础的掺杂手段优化体系在宽温域的载流子浓度，从而优化电输运性能。然而，在Cu掺杂的PbSe体系中，体系载流子浓度尚未达到理论最优值。因此，如何对“动态掺杂”加以有效调控，实现最优载流子浓度调控效果，成为该小组继续关注的焦点。
通过调整阴离子平均半径，控制四面体间隙尺寸及间隙Cu的固溶区，实现Cu离子动态掺杂的有效增强。
最近，该小组在前期工作的基础上，进一步研究发现FCC结构中的四面体间隙尺寸可能是影响Cu掺杂PbX (X=S，Se，Te)体系动态掺杂效应强弱的关键因素。因此，提出利用“间隙工程”的思路，通过改变FCC结构铅硫族化合物的阴离子平均半径，调控其四面体间隙尺寸及间隙Cu固溶区，从而实现Cu离子动态掺杂的有效增强（如图所示）。实验结果表明，随着四面体间隙尺寸的减小，Cu原子动态掺杂效应愈加明显，具有最小四面体间隙的PbTe体系的动态效应明显强于PbSe、PbS体系。因此，PbTe-Cu体系的载流子浓度在测试温度区间内得到了完美优化。此外，他们还发现动态掺杂效应只会提高基体材料的载流子浓度，对载流子的散射机制以及能带结构影响甚小，因而在材料载流子浓度优化的同时，体系依然保持较高的迁移率。综合以上两点，Cu掺杂PbTe在宽温域内的电输运性能达到理论最优值。最终，0.2 at%的Cu掺杂的n型PbTe样品在测试温区平均功率因子达到29 ?W﹒cm-1﹒K-2，是传统I掺杂PbTe体系的两倍。
该研究不仅深入揭示了影响“dynamic doping”效应的微观机理，同时还提出了调控和有效利用“dynamic doping”的可行性手段，对于在其他热电体系中利用“动态掺杂”概念优化宽温区性能具有指导意义。研究结果发表在Energy & Environmental Science 2019, 12, 3089-3098（影响因子33.25），020资讯网菠菜为第一单位，020资讯网菠菜020资讯网菠菜博士生游理与副研究员张继业为共同第一作者，020资讯网菠菜020资讯网菠菜骆军教授、美国休斯顿大学德州超导中心任志峰教授、南方科技大学物理系张文清教授为论文的共同通讯作者。相关工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、面上项目、上海市科委研发平台专项等课题的资助。
论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C9EE01137D#!divAbstract
