中国科学院物理研究所 · 2026年04月21日
近24小时内，热电材料领域共发表相关文献11篇，涵盖理论模型、计算模拟、实验制备及器件应用等多个维度。从研究类型分布看，第一性原理计算与机器学习辅助材料设计占比显著（5篇），实验研究（3篇），综述与理论框架（3篇）。
本日亮点在于平带物理与热电性能关联的深入探讨，以及离子热电与相变材料复合在热管理-能量收集一体化系统中的创新应用。无铅卤化物钙钛矿作为环境友好型热电材料的研究持续升温，涉及双钙钛矿Rb₂AgXBr₆（X = Bi, Sb）及A位阳离子调控的(Na/K/Rb)₃InBr₆体系。
针对平带（flat-band）热电材料的能量过滤机制，研究者通过非平衡格林函数框架结合Hartree-Fock与GW近似，揭示了强关联效应下平带热电性能的本质限制。研究表明，理想孤立的平带因电导率趋于零而无法实现高效热电转换，最优性能出现在平带边缘下方，且需要通过与色散态杂化实现有限展宽[1]。这一发现修正了Mahan-Sofo图景在关联电子体系中的适用边界。
电子-声子（e-ph）相互作用理论从金属到二维狄拉克晶体的统一描述取得进展[3]，提出了包含四粒子项的完整Peierls-Boltzmann方程求解框架，为低维量子材料的热输运精确预测奠定基础。
在离子热电转换与热管理集成方面，复合相变材料（PCM）与纳米流体离子热电模块的协同系统实现了电子器件热管理的双重突破：在3000 W m⁻²热流密度下，器件表面温度控制在71.20°C，较纯离子热电模块降低18.47°C；间歇工况下温度波动幅度降低31.7%[2]。碱性电解液（pH=11）中离子热电模块最大输出功率密度达165.98 mW m⁻²，较中性条件提升77.6%。
Al掺杂ZnO/PEDOT:PSS复合薄膜通过能量过滤效应优化载流子输运，同时通过减小纳米棒尺寸（从250 nm降至190 nm）增强声子散射，实现热导率降低8%[6]，为柔性可穿戴热电能量收集器件提供了低成本制备方案。
机器学习力场（MLFF）在应变调控MoS₂单层晶格热导率建模中的应用[4]，实现了从DFT精度到大规模模拟的效率跃升。深度学习框架结合高通量计算筛选方钴矿（skutterudites）热电材料[8]，展示了人工智能在复杂多组元合金热电材料设计中的加速潜力。
多尺度输运理论通过Landauer-Boltzmann范式建立量子力学与宏观系统的桥梁[7]，为从原子尺度电子结构到器件级热电性能的直接预测提供了统一理论工具。
核心发现：传统观点认为平带（flat-band）因高态密度可导致高Seebeck系数从而提升热电性能，但本研究通过GW近似处理电子关联效应后发现，当化学势进入理想孤立平带时，电导率趋于零，使得高Seebeck系数失去物理意义。最优zT值实际出现在平带边缘下方，且需要平带与色散态杂化产生的有限展宽[1]。
方法论突破：采用非平衡格林函数（NEGF）框架，在Hartree-Fock平均场和GW多体微扰理论两个层次处理电子相互作用，首次定量揭示了关联效应对平带热电性能的抑制机制。在菱形链（diamond chain）模型中，电子关联在半填充附近诱导平带与色散带之间打开关联能隙。
领域争议与解决：解决了平带热电材料设计中"高Seebeck系数与高电导率不可兼得"的理论悖论，指出平均场理论系统性地高估zT值，强调了超越平均场关联在定量预测中的必要性。
核心发现：针对高功率电子器件的热管理-能量收集双重需求，构建了复合相变材料（PCM）与纳米流体离子热电转换器的集成系统。该系统利用PCM的潜热缓冲抑制温度波动，同时利用温度梯度驱动离子热电转换回收低品位废热[2]。
方法论突破：建立了耦合相变潜热释放、离子热扩散与电化学反应的多物理场数值模型，通过实验验证了在间歇工况（15分钟开关循环）下温度波动幅度的显著抑制。
应用启示：为数据中心、高性能计算芯片的热管理提供了"被动散热+主动发电"的协同解决方案，突破了传统热电材料在低温差（<50°C）条件下效率低下的限制。
核心发现：Rb₂AgXBr₆（X = Bi, Sb）双钙钛矿在立方相（Fm-3m）下表现出机械稳定性、间接窄带隙（小于多数卤化物双钙钛矿）以及优异的光电与热电输运性质。Seebeck系数、功率因子与热电优值在室温附近表现良好[5]。
创新点：结合全势线性缀加平面波（FP-LAPW）方法，系统评估了弹性参数（确认延展性行为）、光学吸收（可见-紫外区高吸收低反射）与热电输运（电导率、热导率、比热容）的全方位性能。
| 研究方向 | 匹配文献 | 启示度 | 具体关联 |
|---|---|---|---|
| 强关联电子体系与非常规超导 | [1], [3] | 高 | 平带物理与关联效应研究可直接借鉴GW+NEGF方法，用于探索铜氧化物、铁基超导体等强关联体系的热电与输运性质 |
| 低维量子材料与二维材料 | [4], [3] | 高 | MoS₂单层应变调控热导率研究与我所二维材料分子束外延制备、低温强磁场输运测量方向高度契合 |
| 拓扑量子材料 | [3] | 中 | 2D狄拉克晶体中的电子-声子相互作用机制对拓扑半金属热输运研究具有参考价值 |
| 第一性原理计算与机器学习 | [8], [4], [7] | 高 | 深度学习筛选方钴矿、MLFF加速计算等方法可直接融入现有材料基因工程研究框架 |
| 复杂氧化物与薄膜物理 | [6] | 中 | ZnO基复合薄膜的制备与界面工程对我所氧化物薄膜生长与离子调控研究具有借鉴意义 |
| 高压极端条件物理 | [11] | 中 | Heusler合金的高压合成与物性研究可结合我所高压生长技术 |
| 材料体系 | 结构特征 | 合成路径 | 关键性能指标 |
|---|---|---|---|
| Rb₂AgBiBr₆ / Rb₂AgSbBr₆ | 立方双钙钛矿（Fm-3m），无铅卤化物，间接窄带隙 | 溶液法或熔盐法生长单晶，容忍因子分析确认热力学稳定性 | 室温Seebeck系数显著，功率因子与zT值优于多数卤化物钙钛矿，可见-紫外区高光学吸收 |
| (Na/K/Rb)₃InBr₆ | A位阳离子可调的无铅卤化物，带隙随阳离子半径变化 | 化学计量比固相反应或溶液合成 | 可调光电与热电性能，适用于可再生能源器件 |
| Al掺杂ZnO/PEDOT:PSS | 纳米棒阵列（直径190 nm）嵌入导电聚合物基体 | 溶胶-凝胶法生长AZO纳米棒，旋涂PEDOT:PSS复合 | 热导率降低8%，能量过滤效应优化载流子输运，柔性可穿戴适用 |
| 铁基四元Heusler合金 | L2₁或类似Heusler结构，四元组分可调 | 电弧熔炼或高通量组合制备 | 绿色能源应用导向，潜在高热电性能 |
| 方钴矿（Skutterudites） | 体心立方结构，笼状结构可填充稀土/碱土金属 | 高温固相反应或熔融旋甩 | 深度学习预测zT值，适合中高温热电发电 |
结构-性能关联：平带系统（锯齿链vs菱形链）的能带拓扑结构（带隙存在与否）直接决定电子关联效应对热电性能的影响程度。具有镜像对称性的二维狄拉克晶体中，弯曲模式（ZA）声子主导热输运，而对称性破缺（如纳米带边缘）可将ZA模式转化为主要散射支[3]。
界面工程：复合相变材料与离子热电模块的界面热阻优化是实现高效热管理-能量收集的关键；ZnO/PEDOT:PSS异质界面处的能量过滤效应可解耦电导与Seebeck系数的反向变化趋势[6]。
建议与开展中子散射研究的课题组合作，利用非弹性中子散射验证电子-声子耦合模型[3]；与扫描隧道显微学团队联合，在原子尺度表征平带材料（如转角石墨烯、 kagome金属）的局域态密度与输运性质关联；与高压物理研究组协作，探索Heusler合金[11]在高压下的新奇热电相变。
| 技术方向 | 当前TRL等级 | 3-5年目标 |
|---|---|---|
| 平带关联电子体系热电理论 | TRL 2-3（概念验证） | TRL 4（实验室验证特定材料） |
| 机器学习辅助热电材料设计 | TRL 3-4（实验室验证） | TRL 5-6（相关环境验证） |
| 离子热电-相变复合热管理 | TRL 4-5（实验室/相关环境） | TRL 6-7（系统/实际环境演示） |
| 无铅卤化物钙钛矿热电材料 | TRL 2-3（概念验证） | TRL 4（实验室验证稳定性） |
| 二维材料应变工程热导率调控 | TRL 3（实验室验证） | TRL 5（器件级演示） |
近期（1-2年）：电子-声子相互作用的第一性原理计算方法将整合GW与电声耦合计算，实现关联电子体系热输运的参数自由预测；机器学习势场（MLIP）将覆盖更多复杂氧化物和卤化物体系。
中期（3-5年）：离子热电转换效率有望突破现有液体电解质限制，固态离子导体或凝胶电解质将推动其实用化；平带材料（如魔角石墨烯、kagome晶格）的热电性能将在低温区（<200 K）展现优势，与常规半导体形成互补。
本报告基于中国科学院物理研究所文献数据库生成 · 仅供内部研究参考