日本研究发现掺杂适量锑可提高硒化锡的热电转换效率

近年来，发达国家的能源消费相当浪费。总能量的近三分之二通常作为“废热”被丢弃到环境中，最终导致全球变暖。找到一种有效利用这种热量的方法一直是每一位材料研究者的首要任务。

将这些废热作为电能回收的各种可能方法之一是使用所谓的“热电转换”——利用半导体中的温差直接转换为电压的过程。热电器件包括p型和n型半导体，具有电子和空穴两种载流子。p型和n型半导体串联在一起，产生很大的热电电压。因此，有必要开发具有高热电转换效率的p型和n型半导体。

最近科学家们将注意力转向了一种特殊的半导体材料：一硒化锡（SnSe），据报道，它具有世界上最高的热电转换性能指数ZT值。然而，SnSe无法轻松控制载流子类型。碱离子掺杂改善了p型热电性能，但碱离子是易挥发的扩散元素，不适合高温应用。另一方面，添加铋和碘使之成为n型，则会导致低电子浓度。

SnSe在低Sb浓度（<0.5%）时以p型传导开始，在中等浓度（0.5%0.5%）时转变为n型传导。：东京科技

在《高级功能材料》杂志上发表的一项新的研究中，日本东京理工大学的一个科学家小组在TakayoshiKatase教授的带领下发现，当掺杂锑（Sb）时，SnSe（Sn1xSbx）Se表现出一种特殊的传导类型转换。特别是，研究小组观察到，在低掺杂浓度下，（Sn1-xSbx）Se一开始以p型传导为主，但随着掺杂量的增加而转变为n型，最后在高浓度下又转换回p型。研究小组发现，经过细致的分析和计算，发现了一种有趣的电荷型开关机制，它与锑在锡和硒之间的取代位点的分布有关。他们将这种转换行为归因于随着掺杂量的增加，主要的Sb取代位点从Se（SbSe）转换到Sn（SbSn）。

科学家解释说，在很低的锑浓度下，p型传导完全是由Sn空位提供的空穴造成的。但随着掺杂量的增加，SbSn开始提供电子，而SbSe形成一个“杂质带”，允许通过它传导，从而导致观察到的n型行为。然而，随着掺杂水平的进一步提高，费米能级接近位于SbSe杂质带和导带最小值之间的中间隙能级，导致p型导电。

有了如此显著的见解，结果无疑是SnSe潜在的游戏规则改变者。不过，Takase教授预见的范围更广。”Katase教授推测，既然我们了解了Sb掺杂SnSe极性转换的机制，我们就有望优化体合成工艺，进一步提高其热电性能，进而实现高性能的热电转换器件。”

此外，研究人员还期望基于掺杂位开关的极性控制在未来会变得更加通用，并且可以应用于其他载流子类型难以控制的半导体材料。我们希望这将导致一个未来，在那里废热不再是浪费！