日前，昆明理工大学材料科学与工程学院金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心葛振华教授团队在硫族热电材料的性能优化方面取得多项研究进展。

1.提出了利用铜冶金固相反应过程，制备高性能多孔硫化铜热电材料。以《Excellent Thermoelectric Performance Realized in Copper Sulfide Magnetic Nanocomposites Via Modified Solid States Reaction》为题，发表在材料科学双一区期刊Advanced Science上，材料科学与工程学院博士研究生杨添驭为第一作者，葛振华教授、冯晶教授为通讯作者；

固相反应是材料制备、加工和应用环节中的基本反应，在材料科学和化学研究中无处不在。在冶金学和地质学领域，大量复杂化学反应发生在矿石的冶炼过程中。受铜精矿冶炼的启发，本工作设计改进的固态反应并将其应用在热电材料领域。通过控制反应温度和组成，可以制备多孔硫化铜磁性纳米复合材料。通过成分调节产生大量析出相和富铜相，并通过控制微观结构形成多孔结构。得益于第二相和多孔结构的构筑，导热系数得到了有效的降低。此外，铁磁性Fe3O4粒子的引入不仅降低了载流子浓度，还形成了散射低能载流子的势垒，提高了样品的塞贝克系数。最终，Cu1.8S + 2 wt.% Fe3O4样品在773 K时的最佳ZT为≈1.3，在整个工作温度范围内的平均ZT为0.57。

(论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202409494)

2.利用碘元素掺杂合成了相结构可调控的高性能硒化铜热电材料，以《Iodine Doping for the Tunable Phase Structure and Enhanced Thermoelectric Performance in Copper Selenide》为题，发表在晶体学一区期刊Crystal Growth & Design上，材料科学与工程学院硕士研究生王崇宇为第一作者，张益欣教授、葛振华教授为通讯作者；

声子液体-电子晶体(PLEC)特性是实现Cu2Se基材料优异电、热输运性能的关键。然而，高温立方Cu2Se在室温下很难获得，这抑制了其在宽温度范围内的热电性能。本研究提出了一种在水热反应过程中使用氢碘酸作为掺杂剂来改变硒化铜的相结构和热电性能的策略。碘掺杂可以有效地控制硒化铜的相变，使硒化铜在室温下存在立方相。由于相结构和载流子浓度的变化，碘离子掺杂Cu2Se的电导率显著增加。因此，在773 K时，Cu2Se-1 ml HI样品的功率因子高达1925 μW m-1 K -2。最终，碘离子掺杂Cu2Se的平均热电性能在整个温度范围内得到了改善。本研究为可控调控硒化铜的相结构和热电性能提供了新的途径，值得在其他体系中推广。

（论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.cgd.4c01632）

3.利用自下而上的策略，采用水热合成法和放电等离子烧结工艺制备了具有超低热导率的硫化铋热电材料，并且取得硫化铋体系第一个超过1的ZT值，以《Ultralow Lattice Thermal Conductivity and High ZT Beyond 1 Realized in Bi2S3 Nanocomposites via Bottom-Up Structure Design》为题，发表在物理应用一区期刊Small上，材料科学与工程学院硕士研究生杨泽源为第一作者，葛振华教授为通讯作者。

热电材料是能够直接将热能转换为电能的材料，具有广泛的应用前景，尤其是在能源回收和温差发电领域。近年来，随着能源危机和环境问题的日益严重，热电材料作为一种绿色、可持续的能源转换技术受到了广泛关注。硫化铋（Bi₂S₃）由于其良好的热电特性，成为热电材料研究的热点之一。该项研究成果提出了一种创新的自下而上的结构设计策略，有效优化了硫化铋材料的热电性能。硫化铋作为一种具有巨大潜力的热电材料，长期以来面临如何在电导率较低的情况下提升热电性能的挑战。通过精确调控材料的微观结构，研究团队成功地提升了硫化铋的热电优值（ZT），并在673K时首次达到了超过1的ZT值，展示了该材料在商业化应用中的巨大潜力。未来，团队将继续探索更多热电材料的优化方案，并通过跨学科合作和技术创新，推动热电材料在可持续能源、电子设备以及汽车工业等领域的应用。研究人员期待这一自下而上的结构设计理念能够在其他热电材料系统中推广，进一步提升其商业化前景。

（论文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202409618）

4.提出了准同质掺杂策略，实现了高效固溶，并获得热电性能显著提升的铜锑硫基热电材料，以《Highly Effective Solid Solution towards High Thermoelectric and Mechanical Properties in Cu3SbSe4−Cu2GeSe3 Bulk Materials via Quasi-Homogenization Doping》为题，发表在无机化学一区期刊Inorganic Chemistry上，材料科学与工程学院硕士研究生殷浩为第一作者，葛振华教授、冯晶教授为通讯作者；

在追求高性能热电材料的过程中，挑战往往在于实现高掺杂浓度，这对于增强电学性能至关重要。传统的单质掺杂所实现的固溶度是有限的，对于载流子浓度的调控不是最佳的。在这项研究中，我们介绍了一种名为"准均质化"的新型掺杂方法。该方法通过在Cu3SbSe4中添加晶体结构和组成元素高度相似的Cu2GeSe3，显著地增加了Ge在Cu3SbSe4中的固溶度。与之前通过Ge掺杂来优化Cu3SbSe4热电性能的方法相比，这种掺杂方法更为高效。Ge的高效固溶不仅提供了大量的载流子，提高了材料的电学性能，而且还诱导其微观结构产生显著变化。Cu2GeSe3掺杂后Cu3SbSe4材料的气孔率增加，晶粒尺寸减小，位错和第二相生成。这些晶格缺陷的产生使得材料的晶格热导率显著降低。在Cu3SbSe4 + 1.0wt % Cu2GeSe3样品中，ZT在723 K时达到峰值1.0，而在323 ~ 723 K温度范围内平均ZT为0.56。此外，纳米压痕测试结果显示材料的机械性能显著增强，平均显微硬度增加了10 %，杨氏模量增加了6 %。这项工作强调了通过"准均质化"来在三元化合物实现有效固溶的可行性，进一步实现热电性能和力学性能的协同提升，这种方法有望在其他三元体系中得到更广泛的应用。

（论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.4c03226）

相关研究得到云南省杰出青年基金项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、云南省云岭英才青年人才后续支持经费、云南省应用基础研究计划重点项目的资助。

（供稿：材料科学与工程学院）