近日，南京理工大学校唐国栋教授团队在热电材料研究领域取得重要进展，研究成果以“Nanotwin architecture and ultra-high valley degeneracy lead to high thermoelectric performance in GeTe-based thermoelectric materials”为题，在线发表在《自然·通讯》Nature Communications2026, 17, 2205上（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68908-0）。
热电材料能通过塞贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能直接相互转换。凭借其系统体积小、无噪音、无振动以及便于集成化的特点，在温差发电和固态制冷等领域有重大应用价值，可广泛应用于深空探测、余热发电、热电制冷、精确制导、5G/6G通信光模块的精确控温等关键领域。GeTe是最具前景的新一代热电材料，由于低宽温域热电性能和较差的力学性能的瓶颈难题，从而使效率与器件可靠性受到严重制约。然而，同时在热电材料中获得优异的热电性能和力学性能，是热电材料领域面临的共性难题。
针对上述问题，唐国栋教授团队创新性地提出了纳米孪晶结构协同超高能谷简并提升材料热电性能和力学性能方法（如图1），通过GeTe材料与CuBiS2合金化，利用界面诱导纳米孪晶结构的形成，在GeTe材料中形成高密度的纳米孪晶结构，通过在材料中构建的纳米孪晶、有序空位阵列与点缺陷复合结构有效散射宽频声子，显著降低晶格热导率，将晶格热导率在673 K时降至0.38 W m-1 K-1，接近GeTe的理论非晶极限。同时孪晶界对载流子的散射作用很弱，因此纳米孪晶能在几乎不干扰电子传输的情况下，明显抑制材料的晶格热导率，实现对材料电声输运的解耦。进一步研究发现，CuBiS2合金化不仅实现了GeTe中VBM1和VBM2的能带对齐，同时也诱导了VBM3价带的精准对齐，诱导出高达22的超高能谷简并度，是GeTe材料能谷简并度的记录值，通过超高能级简并大幅提升塞贝克系数和功率因子，室温功率因子提升至22 μW cm-1 K-2，峰值功率因子高达49 μW cm-1 K-2。最终如图2，利用纳米孪晶结构协同超高能谷简并方法协同优化GeTe热电材料的电声输运性能，在723 K时获得峰值ZT高达2.5，并在GeTe基材料中获得了破破纪录的平均ZT值，其平均ZT达1.9，研制的热电器件实现了12%的发电效率。同时纳米孪晶界有效的阻碍晶界滑移和位错运动，显著提升了材料的强度和硬度，(GeTe)0.93(CuBiS2)0.07样品的硬度达到224Hv，比纯GeTe（约116Hv）提升了约93%，材料的抗压强度高达349 MPa，优于大多数已报道的GeTe基热电材料。该方法在实现超高热电性能的同时，还大幅提升了材料的力学性能。该研究不仅为热电材料的设计提供了新思路，也解决了热电材料优异热电性能和力学性能难以兼得的共性难题，对推动固态热电器件的广泛应用具有重要意义。
图1 纳米孪晶协同超高能带简并度实现材料热电性能和力学性能的大幅提升
图2 材料的热电性能、热电器件效率和力学性能
来源：南京理工大学，https://zs.njust.edu.cn/86/ad/c3558a362157/page.htm
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