近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家的能源消費(fèi)相當(dāng)浪費(fèi)。總能量的近三分之二通常作為“廢熱”被丟棄到環(huán)境中，最終導(dǎo)致全球變暖。找到一種有效利用這種熱量的方法一直是每一位材料研究者的首要任務(wù)。

將這些廢熱作為電能回收的各種可能方法之一是使用所謂的“熱電轉(zhuǎn)換”——利用半導(dǎo)體中的溫差直接轉(zhuǎn)換為電壓的過(guò)程。熱電器件包括p型和n型半導(dǎo)體，具有電子和空穴兩種載流子。p型和n型半導(dǎo)體串聯(lián)在一起，產(chǎn)生很大的熱電電壓。因此，有必要開(kāi)發(fā)具有高熱電轉(zhuǎn)換效率的p型和n型半導(dǎo)體。

最近科學(xué)家們將注意力轉(zhuǎn)向了一種特殊的半導(dǎo)體材料：一硒化錫（SnSe），據(jù)報(bào)道，它具有世界上最高的熱電轉(zhuǎn)換性能指數(shù)ZT值。然而，SnSe無(wú)法輕松控制載流子類型。堿離子摻雜改善了p型熱電性能，但堿離子是易揮發(fā)的擴(kuò)散元素，不適合高溫應(yīng)用。另一方面，添加鉍和碘使之成為n型，則會(huì)導(dǎo)致低電子濃度。

SnSe在低Sb濃度（<0.5%）時(shí)以p型傳導(dǎo)開(kāi)始，在中等濃度（0.5%0.5%）時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閚型傳導(dǎo)。：東京科技

在《高級(jí)功能材料》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)新的研究中，日本東京理工大學(xué)的一個(gè)科學(xué)家小組在TakayoshiKatase教授的帶領(lǐng)下發(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻雜銻（Sb）時(shí)，SnSe（Sn1xSbx）Se表現(xiàn)出一種特殊的傳導(dǎo)類型轉(zhuǎn)換。特別是，研究小組觀察到，在低摻雜濃度下，（Sn1-xSbx）Se一開(kāi)始以p型傳導(dǎo)為主，但隨著摻雜量的增加而轉(zhuǎn)變?yōu)閚型，最后在高濃度下又轉(zhuǎn)換回p型。研究小組發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)細(xì)致的分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了一種有趣的電荷型開(kāi)關(guān)機(jī)制，它與銻在錫和硒之間的取代位點(diǎn)的分布有關(guān)。他們將這種轉(zhuǎn)換行為歸因于隨著摻雜量的增加，主要的Sb取代位點(diǎn)從Se（SbSe）轉(zhuǎn)換到Sn（SbSn）。

科學(xué)家解釋說(shuō)，在很低的銻濃度下，p型傳導(dǎo)完全是由Sn空位提供的空穴造成的。但隨著摻雜量的增加，SbSn開(kāi)始提供電子，而SbSe形成一個(gè)“雜質(zhì)帶”，允許通過(guò)它傳導(dǎo)，從而導(dǎo)致觀察到的n型行為。然而，隨著摻雜水平的進(jìn)一步提高，費(fèi)米能級(jí)接近位于SbSe雜質(zhì)帶和導(dǎo)帶最小值之間的中間隙能級(jí)，導(dǎo)致p型導(dǎo)電。

有了如此顯著的見(jiàn)解，結(jié)果無(wú)疑是SnSe潛在的游戲規(guī)則改變者。不過(guò)，Takase教授預(yù)見(jiàn)的范圍更廣。”Katase教授推測(cè)，既然我們了解了Sb摻雜SnSe極性轉(zhuǎn)換的機(jī)制，我們就有望優(yōu)化體合成工藝，進(jìn)一步提高其熱電性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能的熱電轉(zhuǎn)換器件。”

此外，研究人員還期望基于摻雜位開(kāi)關(guān)的極性控制在未來(lái)會(huì)變得更加通用，并且可以應(yīng)用于其他載流子類型難以控制的半導(dǎo)體材料。我們希望這將導(dǎo)致一個(gè)未來(lái)，在那里廢熱不再是浪費(fèi)！