鑒于此，近日來(lái)自南方科技大學(xué)何佳清教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)和萊布尼茨固態(tài)及材料研究所的研究人員共同在Nature Reviews Electrical Engineering上以Germanium-telluride-based thermoelectrics為題發(fā)表綜述文章，綜述了基于GeTe的熱電材料的最新研究進(jìn)展，包括其結(jié)構(gòu)特性、熱電性能、摻雜改性以及應(yīng)用前景等方面。重點(diǎn)討論了GeTe材料在n型摻雜、室溫?zé)犭姂?yīng)用以及提高能量轉(zhuǎn)換效率方面所面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決方案。

圖1. 中高溫?zé)犭姴牧系钠骄焚|(zhì)因數(shù)及理論熱電轉(zhuǎn)換效率。。

圖源：?Nat Rev Electr Eng?(2024).? ??

GeTe材料具有典型的巖鹽結(jié)構(gòu)，其中Ge和Te原子通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得GeTe在相變過(guò)程中展現(xiàn)出豐富的物理性質(zhì)，如鐵電性、相變存儲(chǔ)等。此外，GeTe的層狀結(jié)構(gòu)使其具有較高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，為熱電性能的優(yōu)化提供了可能。

熱電性能是評(píng)價(jià)熱電材料性能的重要指標(biāo)，通常用熱電優(yōu)值（ZT值）來(lái)表示。ZT值越大，材料的熱電轉(zhuǎn)換效率越高。GeTe材料具有較高的ZT值，使其在熱電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，GeTe的熱電性能仍受到多種因素的影響，如載流子濃度、晶格熱導(dǎo)率等。因此，通過(guò)調(diào)控這些因素，有望進(jìn)一步提高GeTe的熱電性能。

為了進(jìn)一步提高GeTe材料的熱電性能，研究者們嘗試了多種摻雜改性方法。其中，n型摻雜是一個(gè)重要的研究方向。然而，由于GeTe中固有的Ge空位和高空穴濃度，實(shí)現(xiàn)n型摻雜仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。目前，通過(guò)合金化、元素替代等方法，研究者們已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。例如，通過(guò)在GeTe中引入PbSe和Bi元素，成功實(shí)現(xiàn)了n型摻雜，并提高了材料的熱電性能。然而，這些方法仍然存在一些問(wèn)題，如摻雜濃度難以精確控制、對(duì)材料結(jié)構(gòu)的影響等。因此，進(jìn)一步探索有效的n型摻雜方法，對(duì)于提高GeTe材料的熱電性能具有重要意義。

室溫下的熱電應(yīng)用是熱電材料領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。目前，基于Bi2Te3的材料在室溫下展現(xiàn)出較高的熱電性能，但其ZT值仍有限。相比之下，GeTe材料在室溫下具有較高的ZT值和可調(diào)的相變點(diǎn)，使其在室溫?zé)犭姂?yīng)用方面具有潛力。然而，要實(shí)現(xiàn)GeTe材料在室溫下的高效熱電轉(zhuǎn)換，還需要進(jìn)一步提高其熱電性能和穩(wěn)定性。

圖2.GeTe的相變及其對(duì)塞貝克系數(shù)和晶格熱導(dǎo)率的影響。

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圖3.基于GeTe的材料的量子間隙工程。

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綜上所述，基于二維碲化鍺（GeTe）的熱電材料在能源轉(zhuǎn)換和廢熱利用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。通過(guò)深入研究GeTe材料的結(jié)構(gòu)特性、熱電性能以及摻雜改性方法，有望進(jìn)一步提高其熱電性能和能量轉(zhuǎn)換效率。未來(lái)，研究者們可以關(guān)注以下幾個(gè)方面的工作：探索更有效的n型摻雜方法以提高GeTe材料的熱電性能；研究GeTe材料在室溫下的熱電應(yīng)用；優(yōu)化GeTe材料的制備工藝以降低成本和提高穩(wěn)定性；拓展GeTe材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用如熱電傳感器、相變存儲(chǔ)器等。隨著研究人員的不斷探索，未來(lái)基于GeTe的熱電材料將會(huì)為實(shí)際應(yīng)用提供有力支持并推動(dòng)熱電領(lǐng)域的發(fā)展。? ??? ? ?

參考文獻(xiàn)：Yu, Y., Xu, X., Bosman, M.?et al.?Germanium-telluride-based thermoelectrics.?Nat Rev Electr Eng?(2024).

https://doi.org/10.1038/s44287-023-00013-6