【東大新聞網12月28日電】（通訊員 楊昉）近日，AG真人娱乐物理學院倪振華教授和呂俊鵬教授課題組與新加坡科技局材料工程研究院吳靖研究員合作，發現在基于二維Bi2O2Se的場效應晶體管中施加門電壓可以調控極化光學聲子散射到壓電散射的轉變，實現了塞貝克系數與電導率的去耦合，達到了寬溫度範圍的高熱電功率因子。相關成果以“Gate-Tunable Polar Optical Phonon to Piezoelectric Scattering in Few-Layer Bi2O2Se for High-Performance Thermoelectrics”為題發表在材料學領域重要刊物Advanced Materials上。
基于塞貝克效應的熱電材料可以實現熱能和電能的直接轉換，在綠色清潔能源和低溫制冷等領域有着十分重要的應用，如何提高熱電材料轉化效率一直是該領域研究的核心問題。熱電參數之間的強耦合使得提高材料的熱電性能具有挑戰性。長期以來，由于載流子散射機制的複雜性，在調控載流子散射機制方面十分困難，因此常常忽略了載流子遷移率在獨立增強熱電性能（不犧牲塞貝克系數的情況下提高電導率）方面的作用。
不同于目前廣泛研究的石墨烯、過渡金屬硫化物、黑磷等二維材料，二維Bi2O2Se的低聲子群速度和強聲子非諧散射使其具有極低的熱導率(~0.92 W/mK APL 115, 193103 (2019))，同時兼具的高電子遷移率和良好的環境穩定性使得其在熱電以及能源轉化領域有着巨大的潛力。基于二維Bi2O2Se場效應晶體管的熱電輸運，二維Bi2O2Se載流子遷移率在高溫下由極化光學聲子散射主導，在低溫下由壓電散射主導。當壓電散射主導時，其遷移率顯著提高。同時電導率的急劇上升并沒有導緻塞貝克系數的明顯下降，表明散射機制的調控可以實現電導率和塞貝克系數的去耦合。這與之前通過調控載流子濃度來平衡電導率和塞貝克系數的策略完全不同。同時，這種散射機制的轉變溫度具有高度的門電壓可調性，通過施加一定大小的門電壓，可以顯著提高極化光學聲子散射到壓電散射的轉變溫度。熱電功率因子與遷移率在兩個數量級的調制上展現出近似線性的相關性，最終實現寬溫度範圍(80-200K)的高熱電功率因子(>400mW-1m-1K-2)。
該工作發現了通過門電壓調控二維Bi2O2Se的散射機制可以有效的調節其熱電性能，證明了散射機制的調控可以很好的實現熱電參數之間的去耦合。高栅極可調性允許對散射機制進行精細的控制，從而揭示更深入的物理機制。對于探索低維材料應用于低溫制冷和物聯網自供電領域具有深遠意義。
本文第一作者為AG真人娱乐物理學院博士生楊昉，倪振華教授、呂俊鵬教授、吳靖研究員為共同通訊作者。該工作受到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助。
論文鍊接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004786
供稿：物理學院
（責任編輯：翟夢傑 審核：李小男）
