近日，中国科学技术大学谢毅教授、肖翀教授（青促会会员）课题组和孙喆教授课题组窄带隙热电材料研究中取得新的进展，相关成果以“Evidence for Itinerant Carriers in an Anisotropic Narrow-Gap Semiconductor by Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy”为题发表于《AdvancedMaterials》【Adv. Mater. (10.1002/adma.201704733)】.

热电材料是一种能将热能和电能直接转换的功能材料。具有无噪音、无磨损、体积小、重量轻、寿命长、对环境不产生任何污染等特点，在能源利用方面具有独特的优势，因此在能源危机越来越严重的21世纪，热电材料的研究引起了各国研究者的广泛兴趣。准一维窄带隙半导体CsBi4Te6是良好的低温热电材料，其在较低的载流子浓度下亦可表现出超导性质。根据经典的热电理论，窄带隙半导体常具有优秀的热电转化性能。准一维窄带隙半导体CsBi4Te6是良好的低温热电材料，同时其在较低的载流子浓度下亦可表现出超导性质。目前，CsBi4Te6的研究存在许多尚未解决的问题，例如带隙大小以及价带和导带的细节，这使得解释CsBi4Te6高的热电效率和超导性存在困难。准确了解CsBi4Te6的电子结构，揭示CsBi4Te6的能带结构与热电性质的内在联系，有利于平衡电导、热导、塞贝克三个关键热电参数，对开发调控新的高效热电材料十分必要。

微尺度物质科学国家实验室谢毅教授和肖翀教授（青促会会员）课题组与国家同步辐射实验室孙哲教授合作，通过研究窄带隙半导体CsBi4Te6的电子结构（单晶样品由福建物构所吴立明教授提供），发现其载流子具有明显的巡游特征，提出了找寻高效热电材料的思路。研究者通过角分辨光电子能谱详细分析了CsBi4Te6的电子结构。在真空中长时间暴露后，材料发生自发的电子掺杂，费米能级移动到导带底部，使得价带和导带可以同时被观察。费米能级附近的价带和导带的色散呈高度各向异性，这种各向异性往往是造成材料低热导的原因。此外，导带色散呈L型，导带带宽显著大于计算结果，这种L型色散类型意味着载流子具有明显的巡游性特征，解释了CsBi4Te6轻的有效质量以及高的迁移率的来源。理论上可以通过电子或空穴掺杂达到能级共振，进一步提高此类材料的塞贝克性能参数。精确揭示CsBi4Te6的电子结构有助于理解材料中热电和超导性能交叉的本质机理，有助于寻找更多高效的热电或超导材料，为设计和优化其性能铺平道路。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院和教育部的资助。