论文标题：Impact of Cu-Site Dopants on Thermoelectric Power Factor for Famatinite (Cu3SbS4) Nanomaterials

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-3978/6/3/10

期刊名：Electronic Materials

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/electronicmat

研究背景

在全球能源需求持续攀升的背景下，开发清洁、高效的替代能源技术已成为当务之急。热电材料能够基于塞贝克效应实现热能与电能的直接相互转换，在工业废热回收和绿色能源领域展现出巨大应用潜力。当前，高性能热电材料体系主要依赖于碲化铋、碲化铅等含稀有或有毒元素的化合物，其广泛应用受到成本与环境可持续性的双重制约。铜基硫族化合物（如Cu-Sb-S体系）因其组成元素地壳储量丰富、环境友好且具备优异的电学传输特性，成为极具潜力的替代材料。其中，黝锡矿因其本征的高塞贝克系数和低热导率，被理论预测为一种优异的热电候选材料。然而，通过铜位掺杂策略来系统调控其热电性能，尤其是优化功率因子的实验研究尚不充分。本研究旨在通过简便的多元醇法合成铜位掺杂的黝锡矿纳米材料，系统探究锌、锰掺杂对其物相、结构及热电功率因子的影响，为开发低成本、高性能的新型热电材料提供科学依据与技术方案。

研究内容

本文采用改进的多元醇法，成功实现了克量级黝锡矿纳米颗粒的制备，并精确地在铜位掺入锌和锰元素，合成了目标组成为Cu_2.7M_0.3SbS₄（M = Cu, Zn, Mn）的系列样品。该方法无需表面活性剂，过程高效节能，为材料的规模化制备提供了可能。通过X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱分析对合成的纳米粉末进行了系统表征，结果证实所有样品均为高纯度的黝锡矿相，元素分布均匀，掺杂比例与目标值高度吻合，且颗粒尺寸约为20-30纳米，表明成功制备了相纯、成分可控的纳米材料。

为进行热电性能测试，研究团队采用放电等离子烧结技术将纳米粉末致密化成块体材料。烧结前，通过差示扫描量热和热重分析确定了各样品的最佳烧结温度，以避免高温下发生相变。烧结后获得的块体样品相对密度均超过90%，其中锰掺杂样品密度最高，达到94%。烧结后的样品经XRD和SEM分析确认，黝锡矿仍为主相，且晶粒尺寸保持在纳米尺度，证明烧结过程有效保留了材料的纳米结构特性，这对于通过晶界散射降低热导率至关重要。

随后，研究团队在225 K至575 K的温度范围内，对烧结块体样品的电学传输性能进行了系统测量。电阻率测试结果显示，所有样品均呈现典型的半导体行为，即电阻率随温度升高而降低。塞贝克系数测试则揭示了更为显著的差异：锰掺杂样品的塞贝克系数远高于未掺杂和锌掺杂样品，在575 K时达到约220 μV·K^-1。基于此，锰掺杂样品在整个测试温度范围内均展现出最高的功率因子，在575 K时达到10.3 mW·m^-1K^-1，比未掺杂样品高出约60%，证明了锰是一种高效的铜位掺杂元素，能够有效提升黝锡矿材料的热电性能。

图3. 黝锡矿纳米颗粒的TEM与SEM图像

研究总结

本研究通过改进的多元醇法，成功实现了克量级铜位掺杂黝锡矿纳米材料的可控合成，并系统研究了锌、锰掺杂对其热电功率因子的影响。研究明确指出，锰掺杂能够在显著提升材料塞贝克系数的同时，保持相对合理的电阻率，从而在575 K下实现了10.3 mW·m^-1K^-1的高功率因子，其性能远优于未掺杂和锌掺杂的样品。这一发现不仅首次揭示了锰掺杂对黝锡矿热电性能的优化机制，也为通过磁性过渡金属掺杂调控硫族化合物热电性能提供了新的实验依据。该工作所采用的溶液相合成方法具有成本低、效率高、易于规模化等优势，为开发基于地球丰产元素、环境友好的下一代高性能热电材料提供了一条极具前景的技术路径，对推动热电技术在清洁能源领域的实际应用具有重要意义。

Electronic Materials期刊介绍

主编：Prof. Dr. Wojciech Pisula

1. Max Planck Institute for Polymer Research, Ackermannweg 10, 55128 Mainz, Germany

2. Department of Molecular Physics, Faculty of Chemistry, Lodz University of Technology, Zeromskiego 116, 90-924 Lodz, Poland

Electronic Materials（ISSN 2673-3978）是一个开放获取期刊，发表与电子材料相关的科学研究和技术发展。本刊为电子材料基础科学、工程和实际应用方面的综述、文章和简讯提供发表平台。目前已被Scopus, Ei Compendex等数据库收录。