热电材料是一种能够直接实现热能和电能之间相互转换的能源材料，在温差发电、废热回收和固态制冷等清洁能源技术中都有着重要应用。高性能的热电材料需要拥有高的电导率、高的Seebeck系数，以及低的热导率。

在现有热电材料中，BiCuSeO等超晶格材料满足高Seebeck系数、低热导率的要求，但是其层内电荷受限、层间电荷输运受阻，导致其载流子浓度低，本征电导率低，这是限制本征BiCuSeO热电性能的主要因素。

最近，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心肖翀教授（中科院青促会会员）和谢毅教授课题组提出了一种“高效层间电荷释放”实验策略，引入高浓度的非本征电荷，同时构筑层间电荷传输通道，以此促进受限电荷的充分释放（图1），从而提升材料的载流子浓度和电导率。而且，在p型且具有多带简并特征的体系中，载流子浓度显著提升之后，还会引发费米能级下移，激活多重简并价带，从而提高有效质量和Seebeck系数。

图1 高效的层间电荷输运激活了多重费米口袋，协同实现材料热电性能优化。

研究者以BiCuSeO为例，验证了上述策略。BiCuSeO是一种典型的超晶格热电材料，其晶体结构由绝缘的[Bi₂O₂]²⁺层和导电的[Cu₂Se₂]^2-层交替构成。研究者结合Bi/Cu阳离子双空位与Pb掺杂，实现了高效的层间电荷释放。 

如图2所示，Bi/Cu双空位为层间电荷转移提供通道，Pb掺杂又引入了大量的非本征电荷，提高了[Bi₂O₂]²⁺层的电荷密度，并由此实现了电荷密度差导向的高效的层间电荷输运，使材料的载流子浓度提高了两个数量级，在整个工作温区的电导率都得到了显著提升。

图2 (a) BiCuSeO的三维电荷密度分布 (b-d) Pb掺杂，Bi/Cu阳离子双空位，以及Pb掺杂结合双空位的BiCuSeO的三维电荷密度差。图中浅蓝色部分表示空穴的积累。

此外，载流子浓度的增大使费米能级朝价带移动，激活了多重费米口袋，增加了材料的有效质量，从而提高了相同载流子浓度下的Seebeck系数。 

在热学性能方面，阳离子双空位与杂质Pb原子都产生了强烈的声子散射效应，协同降低了材料的晶格热导率。

综合电输运和热输运性能，材料的热电优值得到了显著提高，Bi/Cu双空位与Pb共掺杂Bi_0.90Pb_0.06Cu_0.96SeO材料的热电优值在823K时达到1.4。

研究者认为，该策略（建立层间电荷输运通道，并引入非本征电荷，以建立层间电荷密度梯度，实现高效的层间电荷释放，进而增高载流子浓度，并移动费米能级，激活多重费米口袋，协同优化材料的热电性能）可以推广到更多热电材料体系中。

该研究得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院、教育部、中国科学技术大学等机构的大力支持，相关成果以“Efficient Interlayer Charge Release for High-Performance Layered Thermoelectrics”发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR，https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa085）。