热电转换技术通过塞贝克效应（Seebeck effect）和帕尔贴效应（Peltier effect）实现热能与电能直接相互转换，具有系统体积小、无运动部件、无噪声、无损耗和无污染等优点，在深空探测、固态制冷和精确控温等领域有着重要的应用。热电转换效率主要由热电材料的无量纲热电优值（
）决定。由于电学和热学传输特性之间的强耦合关系，使得提高材料的热电性能颇具挑战性。
近日，中国科学院理化技术研究所低温科学与技术全国重点实验室低温材料及应用超导研究中心周敏研究员、李来风研究员等提出超重力场重熔协同优化热电性能、提升热电优值zT的新方法，这为实现高性能热电材料研究提供了新思路。
在超重力场的作用下，脆性BiSbTe热电材料经历了不同寻常的塑性变形，并形成了大量微观结构缺陷，这在常规制造工艺中极为罕见。从而实现了微观结构重构，结合载流子浓度优化功率因子，使BiSbTe合金的晶格热导率低至l<0.25 W/m K，热电优值zT>1.91（图1），这是目前报道的最高值。
超重力重熔后Bi0.48Sb1.52Te3.03合金中过量碲蒸发，导致Bi(Sb)原子占据Te空位，产生较多带负电的反位缺陷，在基体中形成额外的空穴，从而增加载流子浓度（表1），使电导率提高的同时，Seebeck系数极大值向高温方向移动，功率因子提高至44.5-48.9 W/K²cm（300K），比基体材料高约11%-22%，平均zT值达到1.63-1.66（300-500K）（图2）。基于正电子湮灭（表2）和透射电子显微镜（图3）对材料微观结构进行表征，确认超重力重熔后样品内存在诸如高密度位错、反位缺陷（Bi(Sb)'Te)）和微孔等微观结构缺陷的堆积，这显著增加了声子散射，导致晶格热导率降低约24%（300K）。因此，通过超重力重熔对微观结构的重构实现了超低晶格热导率。基于超重力重熔BiSbTe材料，制备相应的热电器件，其发电效率达到6.4%（T=184K，Tcold=289 K），比对应的商用器件高约52%，并且获得了5.5W的高输出功率，比商用模块提高了83%（图4）。
上述研究工作提出了一种超重力重熔制备技术实现高热电性能的新策略，也可拓展至其他热电材料体系。相关成果以Ultrahigh thermoelectricity obtained in classical BiSbTe alloy processed under supergravity为题发表在Nature Communications上。研究工作得到了低温科学与技术全国重点实验室、国家自然科学基金委等资助项目的资助。
图1 协同优化声子和电子传输实现超高zT值
表1 超重力重熔前后样品的ICP-OES结果及相应的霍尔测量值
图2 热电性能图
表2 BST、BST-1和BST-1-R的正电子湮没寿命谱（PALS）
图3 样品BST-1 (a–i)和BST (j–l)TEM图
图4 器件发电效率和输出功率
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62611-2
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