赵立东/康鹏，Nature Reviews Materials！

米测MeLab

2026-06-22

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

热电材料能实现废热与电能的直接转换，对全球可持续能源发展至关重要。传统提升热电优值（ZT）的策略多依赖纳米结构等外在无序手段来降低热导率，但这往往会由于破坏晶格周期性而显著降低载流子迁移率。随着对内在电子结构和晶格动力学理解的深入，研究正转向通过内在控制手段实现电热输运的高效解耦，为下一代高性能热电材料的理性设计提供新范式。

综述概述

有鉴于此，北京航空航天大学赵立东、康鹏等人在本综述中总结了新兴的设计原则，这些原则通过强调对电子结构和晶格动力学的内在控制，补充了成熟的外在无序策略。研究了能带工程和缺陷设计如何在不牺牲载流子迁移率的情况下增强电学传输，并讨论了由电子驱动的不稳定性和晶体对称性产生的解耦机制。从材料到器件，我们强调了热电模块的接口设计。最后，概述了源自这些设计原则的物理信息描述符在实现人工智能辅助发现和设计先进热电材料方面的潜力。

具体内容

拓扑量子态、能带结构与输运性质的关联

热电材料的性能由费米能级附近的态密度（DOS）和载流子输运决定。传统热电材料多为半导体，面临有效质量与迁移率的权衡。拓扑量子态（如拓扑绝缘体和狄拉克半金属）利用对称性保护的能带结构，能抑制散射并维持极高迁移率。拓扑半金属（如Cd₃As₂）室温迁移率可达10,000 cm² V^-1 s^-1，但受双极效应困扰；拓扑绝缘体则通过体能隙确保单极输运。新兴的拓扑平带策略利用局域平带与色散带的相互作用，通过间隔谷散射在连续金属DOS中产生阶梯状的传输分布函数下降，起到类似能带过滤的作用，从而在金属制度下实现优异的电传输并抑制窄禁带系统的双极热导率。

图  TE材料的拓扑结构、能带结构和输运性质之间的相互作用

多带融合策略及其对热电输运系数的影响

多带融合（Synglisis）是指电子能在能量和动量空间同时对齐，是增强电传输的新范式。它分两步演进：首先是动量对齐，通过温度或组分调节（如SnSe合金化）提高结构对称性，缩小布里渊区不同谷之间的动量差距，抑制间隔谷散射，从而在不增加惯性质量的情况下延长弛豫时间并提升迁移率。随后是能量对齐，通过掺杂使多个带边简并，在维持轻惯性质量的同时显著增加DOS有效质量，从而大幅提高塞贝克系数。这种“双重对齐”机制解耦了电传输属性的矛盾依赖，使加权迁移率在全温区得到优化，并将热电优化范围从窄禁带扩展到宽禁带体系。

图  多波段同步策略及其对热电输运系数的影响

晶格平整化与共振能级引入的电学优化

缺陷设计直接影响迁移率。晶格平整化通过微量元素（如Cu）占据本征空位，利用化学匹配原则修复晶格，平滑局部静电势波动并减少散射中心，在不改变载流子浓度和极低热导率的前提下，显著提升SnSe等体系的迁移率。作为补充，引入共振能级（如In掺杂SnSe）利用杂质能级与宿主能带杂化产生DOS扭曲，增强塞贝克系数并过滤低能载流子。尽管这会适度降低迁移率，但塞贝克系数的增益往往能抵消损失，使ZT得到提升。两者的协同应用受缺陷化学制约，微量掺杂是确保晶格补偿与DOS扭曲共存的关键。

图  晶格平面化和共振能级的引入及其对热电性能的影响

Jahn-Teller效应驱动的晶格不稳定与热传导抑制

电子驱动的不稳定性可在不引入外在散射中心的情况下增强非简谐性。在对称配位环境中，轨道简并会导致Jahn-Teller畸变，通过结构形变消除简并以降低能量。这种畸变诱导了空间受限的力常数重分布，导致局部应变场波动和声子模式混合，从而抑制相干声子传播并大幅软化声子模式，显著降低声子群速度。定量上，轨道-晶格耦合会平构势能面，增加Grüneisen参数和声子谱线宽度。例如，具有强畸变的LiMnO2晶格热导率仅为6 W m^-1 K^-1，远低于无畸变的LiCoO₂（48 W m^-1 K^-1），证明了Jahn-Teller效应对热传导的内在本征抑制作用。

图  Jahn-Teller驱动的晶格不稳定性和声子输运的抑制

孤对电子表达驱动的晶格不稳定性与非简谐性

Ns²阳离子（如Sn²⁺, Pb²⁺, Bi³⁺）的孤对电子（LPE）立体化学活性是调控热传导的重要途径。当LPE被激活时，s-p杂化导致电荷密度定向重新分布，使阳离子偏离中心位置，将近谐波单阱势能面重塑为非简谐的双阱或多阱景观。这种偏心畸变增强了位移耦合的轨道-晶格相互作用，通过增加内在非简谐性强化了声子-声子散射，并缩短了声子平均自由程。LPE的表达是可调的，例如通过施加拉伸应变可连续调节配位环境和键角约束，进一步放大非简谐效应并软化势能面，从而在不增加微观复杂性的前提下将热导率压低至理论极限。

图  LPE驱动的晶格不稳定性和热输运的抑制

电荷密度波驱动的晶格不稳定与声子重构

在低维固体中，费米面不稳定性和增强的轨道-晶格耦合会引发电荷密度波（CDW）。CDW形成过程中，特定的晶格调制会导致费米能级处能隙开启，同时在声子谱的特定波矢qCDW处发生显著的声子模式软化甚至坍塌。这种选择性的声子软化不仅降低了相关模式的群速度，还通过增强非简谐性和带间耦合加剧了声子散射。虽然CDW引起的费米面重构通常会因能隙开启而抑制电导率，但在TCDW附近及涨落制度下，它能有效地降低晶格热导率。这种机制体现了电子结构对声子输运的精准调制，为利用有序相变调节热传输提供了理论支撑。

图  CDW驱动的晶格不稳定性和声子输运重整化

对称性调制驱动的3D电荷与2D声子输运解耦

在层状SnSe材料中，通过提高晶格对称性可实现3D电传输与2D热传输的解耦。n型SnSe的导带主要由Sn-px轨道构成，这使得电子态能跨层离域形成三维导电通道。通过调节温度或合金化（如Pb, Sr）促进Pnma到Cmcm甚至类岩盐结构的转变，能增加层间轨道重叠并减小变形势常数Ξ。Ξ表征能带对晶格应变的敏感度，其减小意味着载流子更少受到晶格振动的散射，从而实现极高且温和的迁移率。实验证明，这种对称性演变显著削弱了电声耦合，将n型SnSe的高性能范围扩展到了约250K的宽温区，实现了高达3.0的平均ZT值。

图  对称调制增强三维电荷和二维声子输运的解耦

热电器件接口设计的电学与热学物理机制

热电模块的性能受限于热电腿与金属电极的界面质量。理想接口需最小化寄生电阻和电压降。根据Schottky-Mott极限，功函数匹配应产生欧姆接触，但由于表面不稳定和界面态导致的费米能级钉扎，常形成肖特基势垒，使输运受限于隧道效应。此外，晶格失配引起的位错网络虽能散射声子降低热损，但也损害了迁移率。优化策略包括引入相干外延缓冲层或范德华界面工程，以改善能带对齐并抑制缺陷散射。在宏观尺度上，需通过3D有限元模拟协调热电腿高度、密度与接触电阻的匹配，确保在小型化过程中块体性质依然主导器件性能。

图  TE器件中的界面输运机制

总结与展望

热电材料的研究正经历从经验发现向理性AI驱动设计的范式转变。未来发展的关键在于将物理见解转化为机器可读的描述符（如能带简并度、有效质量张量、格林艾森参数等），并利用生成式AI（如GANs和VAEs）实现从传统正向预测到逆向设计的突破，从而在广阔的化学空间中精准定位非直观的高性能结构。针对热电特性的强各向异性，引入物理信息机器学习和等变图神经网络将是捕捉复杂输运机制的重要手段。同时，克服数据偏差、建立包含“负面结果”的高质量数据库（如Materials Project、MatHub）对模型训练至关重要。最终目标是构建集AI设计、机器人合成与高通量表征于一体的闭环自主实验平台，通过物理信息主动学习实现高性能热电材料的自动化优化与加速发现。

参考文献：

Bai, S., Wan, D., Tian, Y. et al. Designing advanced thermoelectrics. Nat Rev Mater (2026).

https://doi.org/10.1038/s41578-026-00931-5