近年來，發(fā)達的能源消耗相當浪費。通常，近三分之二的總能量以“廢熱”的形式被浪費到環(huán)境中，最終導致全球變暖。尋找一種有效利用這種熱量的方法一直是每個材料研究人員的首要任務。

回收電能中的廢熱的各種可能方法之一是使用所謂的“熱電轉(zhuǎn)換” —一種利用半導體中的溫差直接轉(zhuǎn)換為電壓的過程。熱電器件包括具有兩種電荷載流子(即電子和空穴)的p型和n型半導體。p型和n型半導體串聯(lián)連接以產(chǎn)生大的熱電電壓。因此，有必要開發(fā)具有高熱電轉(zhuǎn)換效率的p型和n型半導體。

科學家最近引起人們注意的一種特殊的半導體材料是單硒化錫(SnSe)，據(jù)報道，它具有世界上最高的熱電轉(zhuǎn)換性能指數(shù)ZT值。然而，SnSe不能容易地控制電荷載流子類型。摻雜堿金屬離子可改善p型熱電性能，但堿金屬離子是揮發(fā)性和擴散性元素，不適用于高溫應用。另一方面，添加鉍和碘使其成為n型會導致電子濃度低。

在高等功能材料研究所發(fā)表的一項新研究中，由東京理工大學的一組科學家由高瀨勝吉教授領導，他們發(fā)現(xiàn)當摻有銻(Sb)時，SnSe表示為(Sn 1-x Sb x)Se，表現(xiàn)出特殊的導電類型轉(zhuǎn)換。具體來說，研究小組觀察到在低摻雜濃度下，(Sn 1-x Sb x硒從p型導電開始，但隨著摻雜的增加而切換為n型，最后在高濃度時又切換回p型。詳盡的分析和計算揭示了一種有趣的電荷類型轉(zhuǎn)換機制，該小組發(fā)現(xiàn)，該機制與Sn和Se之間的Sb取代位點的分布有關。他們將這種轉(zhuǎn)換行為歸因于隨著摻雜的增加，主要的Sb替代位點從Se(Sb Se)轉(zhuǎn)換為Sn(Sb Sn)。

科學家解釋說，在極低的Sb濃度下，p型傳導僅是由于錫空位提供的空穴而發(fā)生的。但是隨著摻雜的增加，Sb Sn開始提供電子，而Sb Se形成“雜質(zhì)帶”，該雜質(zhì)帶允許通過它的傳導，從而導致觀察到的n型行為。然而，隨著摻雜水平的進一步提高，費米能級接近位于Sb Se雜質(zhì)能帶和最小導帶之間的中能帶能級，從而導致p型導通。

有了如此出色的見解，結果無疑將成為SnSe潛在的游戲規(guī)則改變者。但是，高瀨教授預言范圍將會更廣。“現(xiàn)在，我們了解了摻Sb的SnSe極性轉(zhuǎn)換中的作用機理，我們可以希望優(yōu)化體合成工藝，以進一步改善其熱電性能，并進而實現(xiàn)高性能的熱電轉(zhuǎn)換器件，”推測片瀨教授。

此外，研究人員還期望基于摻雜位置切換的極性控制在將來會變得更加通用，并且可以應用于載流子類型難以控制的其他半導體材料。希望這將帶來一個不再浪費廢熱的未來!