清华大学王沫然课题组与国内外学者合作在界面声子调控及热电与光热电器件研究中取得重要进展

转自 MoranLab

近日，清华大学王沫然课题组与上海交通大学、香港城市大学、澳大利亚昆士兰科技大学等单位合作，在界面声子调控及热电、光热电器件研究中取得两项重要进展，相关成果分别发表于《Science Advances》和《Advanced Materials》。

热电材料可利用温差将热能转化为电能，光热电探测器则先吸收光并产生温差，再将温差转化为电信号。两者都需要在保持良好电输运性能的同时，减少热扩散造成的温差衰减。声子是晶格振动的量子，也是固体中热量的主要载体之一。围绕声子输运调控这一共同问题，两项研究分别从多层膜的界面分布和复合薄膜的取向结构入手，将理论计算与实验研究结合，探索材料结构优化及器件应用。

1. 梯度界面设计调控热电多层膜中的声子与载流子输运

传统周期多层结构采用均匀重复的界面排列，对声子的阻隔主要集中在与周期尺度相关的频段。为在更宽频率范围内抑制声子传热，研究团队以Bi2Te3/金属多层膜为对象，将“梯度界面尺寸分布”引入结构设计。通过使金属层厚度按梯度变化，形成不同尺度的界面间距，打破均匀多层结构的平移对称性，改变不同波长声子的传播条件。

图1梯度界面设计及声子与载流子输运示意

为解释梯度结构为何能够更有效地抑制声子传热，研究结合第一性原理、机器学习分子动力学和声子透射系数计算，对不同多层构型进行分析。原子尺度模拟给出界面两侧的温度跃变及热输运行为；按频率、入射角和偏振进行的透射分析，则揭示了干涉、隧穿等波动效应。

声子透射与局域化长度计算表明，梯度界面使界面散射、相干干涉和局域化共同作用，在较宽频段内降低声子透射，并限制部分声子的长距离传播。这些结果从微观机制上解释了梯度多层膜垂直膜面热导率的降低，为利用界面分布调控热输运提供了理论依据。

图2不同多层构型的原子模拟与声子波透射分析

实验测得，Bi2Te3/Pt梯度多层膜的垂直膜面热导率低至0.22 W·m⁻¹·K⁻¹。采用同一方向测得的热电输运参数计算，其室温垂直膜面热电优值ZT达到1.51。同时，非对称金属—半导体界面调节了空穴积累区和面内导电通道，改善面内载流子输运；界面势垒产生的能量过滤作用则有助于优化塞贝克系数。上述结果体现了梯度界面对不同方向热、电输运的协同调控。

图3梯度多层膜的热电器件验证

在材料性能优化的基础上，研究团队制备了垂直固态热电器件和柔性平面器件。垂直器件利用膜厚方向的温差发电，也可通过通电实现固态制冷；柔性平面器件则利用面内温差发电，展示了面向可穿戴供能的应用潜力。

柔性薄膜在弯折半径5 mm、1000次弯折后，电导率和塞贝克系数均保持初始值的93%以上。柔性器件佩戴于手腕时，可利用人体与环境的温差产生稳定电压。这些器件验证说明，将材料的方向相关输运特征与器件构型结合，可为同一类梯度多层膜面向不同应用开展设计提供依据。

这项研究将界面空间分布作为热电材料的设计变量，为低品位热能利用、局部温控和可穿戴供能提供了新的结构优化思路。

2. 界面与取向结构协同提升光热电探测性能

光热电探测器的性能取决于光吸收、热量扩散和载流子输运的共同作用。提高光吸收有助于产生更多热量，抑制不利于维持温差的热扩散则有助于增强电压输出，同时还需保持良好的电输运性能。针对这些相互关联的需求，研究团队构建了在(00l)取向Ag2Se基体中嵌入垂直Ag第二相的复合薄膜，通过结构设计协同调控光子、声子与电子输运。

该复合结构通过交替沉积与脉冲辐照处理制备，形成过程结合了取向生长与受限相分离。Ag纳米结构通过等离激元效应增强光吸收；取向Ag2Se基体及Ag/Ag2Se异质界面调控声子传播，抑制晶格热输运；界面浅势垒则参与调节载流子输运。三者共同促进光热电转换。

图4Ag2Se/Ag复合薄膜的结构与协同调控机制

为阐明其中的声子输运机制，研究基于第一性原理数据，采用神经演化势（NEP）框架训练适用于Ag2Se、Ag及其异质界面的机器学习原子间作用势，并开展分子动力学模拟，定量分析晶体取向、异质界面及Ag第二相含量对晶格热导率的影响。

声子态密度与群速度分析揭示了Ag和Ag2Se声子传播特性的差异，模拟中的界面温度跃变进一步表明，Ag/Ag2Se界面存在明显热阻。Ag2Se基体的结构各向异性则带来取向相关的导热差异。结合声子波场分析，研究说明了异质界面与Ag纳米结构分布对声子传播的影响。模拟还发现，晶格热导率随Ag填充比例增加呈现先降低后升高的趋势，表明第二相含量需要优化。考虑到Ag含量变化还会影响电子热输运，器件设计需统筹晶格与电子的导热贡献。

图5Ag2Se/Ag复合薄膜的声子输运计算与机制分析

基于上述结构设计，研究团队研制的光热电探测器在1550 nm下达到126 V·W⁻¹的电压响应度。器件瞬态测试得到0.21 ms的上升时间和0.16 ms的下降时间，表明器件能够快速响应光照变化。上述性能来自光吸收、热输运和电输运的协同优化，声子模拟为理解温差的形成与保持提供了机制依据。

面向火灾预警，研究团队进一步搭建原型系统，在实验条件下实现小于0.2 s的火焰响应。此外，研究利用瞬态电压特征进行机器学习分类：在论文所报告的测试集上，对人体、热板、热水和火焰四类热源的总体分类准确率为88.75%，其中火焰类别识别灵敏度为100%。这些结果展示了利用光热电信号区分不同热源、服务早期火灾预警的应用潜力。

图6光热电火灾预警原型与热源分类

课题组博士后刘彬为上述两篇论文的共同第一作者，王沫然教授为共同通讯作者。相关研究得到国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金等支持。

论文信息

1. Regulating phonon-carrier transport by interfacial symmetry breaking in thermoelectric multilayers

Zhengtong Yao, Bin Liu, Shuai Zhang, Quanxin Guo, Yutao Han, Zhihao Guan, Kun Yang, Wenpei Gao, Yakun Yuan, Zhenhua Wu, Moran Wang, Zhiyu Hu. Science Advances 12, eaeh5460 (2026).

https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh5460

2. Photon–Phonon–Electron Synergy Enables Efficient Photothermoelectric Conversion for Intelligent Fire Warning

Shuai Zhang, Bin Liu, Bowen Li, Xiao-Lei Shi, Zhengtong Yao, Dengji Li, Boxiang Gao, Yan Yan, Weijun Wang, Yuxuan Zhang, Haifan Li, Quanxin Guo, Qitong Chen, Zekun Liu, Shengduo Xu, Zhenhua Wu, Moran Wang, Zhiyu Hu, Zhi-Gang Chen, Johnny C. Ho. Advanced Materials, e75105 (2026).

https://doi.org/10.1002/adma.75105