2025年12月19日，国际顶级学术期刊《Science》报道了北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授团队在热电材料及器件研究领域取得的最新进展：《Extending the temperature range of the Cmcm phase of SnSe for high thermoelectric performance》。该工作通过在硒化锡（SnSe）材料中大比例固溶高对称立方相PbSe，成功拓宽了SnSe的高温Cmcm相的温度稳定区间，显著增强了N型SnSe晶体面外方向在Cmcm相的“2D声子/3D电荷”传输特性，将N型SnSe晶体在单个温度点（748K）下ZT~3.0的性能扩展至673-923 K的宽温域范围，温区跨度达250K，基于此宽温域下的卓越热电性能实现了~19.1%的发电效率，该报道揭示了N型SnSe晶体在温差发电领域的巨大潜力。2025级博士生高天、文熠副教授、2023级博士生白树林为第一作者，宿力中教授、常诚教授、赵立东教授为通讯作者，北京航空航天大学材料科学与工程学院为第一单位。赵立东教授课题组2025年已发表3篇《Science》，自2014年以来，这是赵立东教授课题组第14次发表Science和Nature正刊。

能源是人类社会赖以生存及社会发展的重要物质基础，然而在使用过程中约有超过50%的能量以废热的形式浪费掉，若能将这些热能回收并转成电能，将产生深远影响。热电技术可将热能和电能进行直接转换，既可基于塞贝克效应实现温差发电，又可基于珀尔帖效应实现热电制冷，在深空探测电源、集成电路热管理等关键领域具有重要应用价值。

图1. 热电效应：(A) 基于塞贝克效应的温差发电模型； (B) 基于珀尔帖效应的热电制冷模型

热电材料的转换效率主要由其无量纲热电优值（ZT= (S2σ/κ) T）所决定。在给定温度T下，高效热电材料应具备：大塞贝克系数 S（以产生大的温差电压）、高电导率σ（以减少焦耳热损耗）以及低热导率κ（以维持大的温差）。然而，这些热电参数之间的复杂耦合关系限制了ZT值的提升。围绕高效解耦热电参数，该课题组提出了开发本征低热导材料、多能带协同、晶格素化和栅格素化等策略，形成了筛选宽温域温差发电材料【Science 367 (2020) 1196-1197】和新型制冷材料的新思路【Science 378 (2022) 832-833】。在前沿学科交叉领域，该课题组与中国科学院化学所朱道本院士课题组的狄重安研究员合作，将提出的策略运用到有机塑料基热电领域，实现了聚合物热电材料近室温热电性能的重大突破【Nature 632 (2024) 528-535】；该课题组与江雷院士课题组的北航化学学院刘明杰教授合作，将所制备的热电制冷器件用于柔性磁电领域，为复杂环境下传感器的长效稳定工作提供了可靠保障【Science 389 (2025) 623-631】。 

该课题组长期致力于开发新型热电材料及高效发电和制冷器件，经筛选研究发现SnSe晶体具有优异热电潜力【Nature 508 (2014) 373-377】。此后，该课题组持续挖掘SnSe晶体的独特性质，发现SnSe晶体在面内方向具有优异的P型输运热电性能。2016年，发现并利用了多能带协同参与的电传输增强机制，在P型SnSe晶体中取得了优异的近室温热电性能，表明SnSe晶体具有极大潜力成为制冷材料【Science 351 (2016) 141-144】。2021年，发现并提出了多能带的Synglisis效应（动量与能量空间的多能带协同对齐），实现了P型SnSe晶体室温热电性能的大幅提升，基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现~45.7 K的最大制冷温差，已达到商用Bi2Te3基制冷器件的70%【Science 373 (2021) 556-561】。2023年，成功验证了晶格素化策略，在P型SnSe晶体中引入微量的Cu来填充本征Sn空位，实现了超高电传输性能（利于低功耗），其热电制冷器件室温下能够实现~61.2 K的制冷温差，制冷性能已接近商用Bi2Te3基制冷器件【Science 380 (2023) 841-846】。 

与SnSe晶体在面内方向展现优异P型输运热电性能相反，SnSe晶体在面外方向展现出卓越的N型输运热电性能。2018年，在Br元素掺杂的N型SnSe晶体中发现其独特的“2D声子/3D电荷”传输特性，有效利用了SnSe晶体面外方向极低的晶格热导率，并在层间产生交叠的电荷密度增强其电传输特性，从而在Pnma相SnSe晶体中773K温度下获得了ZT~2.8的优异热电性能【Science 360 (2018) 778-783】。2022年，通过调控N型SnSe晶体在Pnma相的晶格对称性，促进了层间声-电解耦，进一步增强了“2D声子/3D电荷”传输特性，使Pnma相SnSe晶体在748K的温度下实现了ZT > 3.0【Science 375 (2022) 1385-1389】。

图2. (A) N型SnSe晶体面外“2D声子/3D电荷”传输特性：层状SnSe晶体利用其层结构抑制了（晶格振动）声子传输，但是与声子不同的电子可通过交叠的电荷密度实现电子隧穿；固溶高对称相后显著促进了该传输特性；(B) 与目前先进的P型热电材料的ZT对比图；(C)与目前先进的单臂热电器件的发电效率对比图

SnSe在800K温度点为两相相变点，即<800K为Pnma相，>800K为Cmcm相，此前的研究都聚焦于Pnma相SnSe晶体，然而其具有更高对称性的Cmcm相的热电性能的潜力仍未被开发，同时，基于N型SnSe晶体面外方向的热电器件研究仍为空白。本工作聚焦于高对称Cmcm相N型SnSe晶体，通过固溶高对称相（立方相PbSe）拓宽了Cmcm相的温度稳定范围，同时，Cmcm相N型SnSe晶体的局域晶格对称性的提升显著增强了其“2D声子/3D电荷”传输特性：1) 提升的晶格对称性有效降低了Cmcm相SnSe晶体的形变势，在态密度有效质量（md*）和载流子浓度（nH）显著增大的同时优化了载流子迁移率（μH），促进了“3D电荷”传输；2) Pb元素的引入在带来应力的同时软化了晶体中的键合作用，从而降低了晶格热导率，增强了“2D声子”散射。如图2（B）所示，最终在673-923 K的温度范围内获得了优异的宽温域热电性能ZTave~3.0。此外，本工作搭建了基于N型SnSe晶体的热电器件并表现出卓越的热电转换效率。如图2（C）所示，在572 K的温差下，其单臂热电器件可实现~19.1%的发电效率。 

本工作得到了国家重点研发计划（2024YFA1210400）、国家自然科学基金青年A类延续项目（52525101）、国家自然科学基金（52450001; 52403348; 523B2007; 524B2004; 52401258）、科学探索奖等的资助，并得到了中国载人航天工程空间应用系统项目的支持。参与此项工作的还有：太原科技大学宿力中教授课题组、白培康教授课题组、北京高压科学中心高翔研究员课题组。

本研究链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt0831