熱電技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，在廢熱回收發(fā)電和電子制冷領(lǐng)域有很大的應(yīng)用前景[1~3]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，全世界60%以上的能源以廢熱的形式浪費(fèi)掉且主要集中在中低溫度范圍 (300~800 K)，這使得熱電技術(shù)在中低溫廢熱發(fā)電領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景[4]。熱電技術(shù)的轉(zhuǎn)換效率一方面受熱電器件的界面電阻影響，另一方面由熱電材料本身的熱電無(wú)量綱優(yōu)值(dimensionless figure of merit，ZT)決定，其定義為ZT=σS2T/κtot(其中，σ、S、T和κtot分別表示電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)(又叫溫差電動(dòng)勢(shì))、熱力學(xué)溫度和總熱導(dǎo)率)[5~7]。若實(shí)現(xiàn)高的熱電轉(zhuǎn)換效率，需要平均ZT(ZTave，為ZT曲線所覆蓋的面積) 在工作溫區(qū)內(nèi)達(dá)到約2.0，甚至約3.0[8]。同時(shí)，具有高ZTave的熱電材料在熱電器件中可以作為單級(jí)熱電臂替代目前廣泛研究的多級(jí)串聯(lián)集成熱電臂，能有效避免材料之間的界面電阻并提升器件的長(zhǎng)期服役穩(wěn)定性[9~11]。但是，目前熱電材料經(jīng)常追求最大ZT而忽略ZTave的提升，導(dǎo)致ZTave與理想目標(biāo)有很大差距[12]。所以提高材料寬溫域的熱電性能對(duì)于熱電技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

顯然，理想的高效熱電材料需要具備優(yōu)異的電傳輸性能，即大的Seebeck系數(shù)和高電導(dǎo)率，并同時(shí)具有低熱導(dǎo)率(“電子晶體-聲子玻璃”)[13~16]。熱電材料性能的優(yōu)化一方面要提升電傳輸性能，另一方面要降低晶格熱導(dǎo)率，然而熱電材料中載流子和聲子的傳輸相互影響，表現(xiàn)出強(qiáng)耦合傳輸特性，這使得提升熱電材料性能需要充分平衡各熱電參數(shù)之間的關(guān)系，最后獲得ZTave的提高[17,18]。當(dāng)利用半導(dǎo)體摻雜提高材料體系的載流子濃度(carrier density，n) 來(lái)優(yōu)化電性能時(shí)，摻雜劑以及增大的載流子濃度會(huì)增強(qiáng)載流子的散射，從而降低載流子遷移率(carrier mobility，μ)[19,20]；能帶簡(jiǎn)并[21~23]和態(tài)密度共振[24,25]等能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控策略雖然能通過(guò)提升有效質(zhì)量(effective mass，m*) 來(lái)獲得較大的Seebeck系數(shù)，但有效質(zhì)量變大的同時(shí)也會(huì)損傷載流子遷移率。利用缺陷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在基體中引入大量的納米缺陷雖然能有效散射聲子降低晶格熱導(dǎo)率，但也會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生額外散射，造成載流子遷移率降低[26,27]。這些傳統(tǒng)的熱電材料優(yōu)化方法均會(huì)降低載流子遷移率、抑制體系的電傳輸性能，使得ZTave提升受限。

為了更進(jìn)一步提升熱電材料的寬溫域性能，需要在降低體系熱導(dǎo)率、優(yōu)化其他電性能參數(shù)的同時(shí)保持較高的載流子遷移率，以實(shí)現(xiàn)體系在寬溫域獲得高的電傳輸性能和ZT[26,28]。研究[29]表明，通過(guò)Te合金化可提高p型SnSe晶體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，成功優(yōu)化載流子遷移率，Sn0.98Na0.02Se1-xTex的ZTave在300~793 K從約0.9 (x= 0) 提高到約1.6 (x= 2%)；此外，通過(guò)在PbS內(nèi)固溶Sn可使基體導(dǎo)帶尖銳化并且位置下移，在降低載流子有效質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了基體與第二相PbTe的導(dǎo)帶對(duì)齊，從而保持了較高的載流子遷移率，最終得到目前最佳的n型PbS性能，在300~923 K溫度范圍內(nèi)ZTave從純PbS的約0.48提高到Pb0.94Sn0.06S-8%PbTe的約0.72[30]。可見(jiàn)，載流子遷移率的優(yōu)化策略可以歸納為2個(gè)方向：晶體缺陷調(diào)控和熱電耦合參數(shù)調(diào)控。一方面，可通過(guò)晶體缺陷調(diào)控實(shí)現(xiàn)載流子遷移率的大幅度提升[31]。如圖1a所示，在實(shí)際晶體中，會(huì)產(chǎn)生原子尺度的點(diǎn)缺陷、納米尺度的納米沉積相、微米尺度的晶界等各種尺度的缺陷，若采用制備晶體(此處“晶體”與文中多晶相對(duì)，特指晶界密度較低、介于多晶和完美單晶之間的材料)、對(duì)稱性調(diào)控、微缺陷調(diào)控等方式合理調(diào)控晶體缺陷，可實(shí)現(xiàn)載流子遷移率的大幅度提升，進(jìn)而有效提高功率因子(power factor，PF = σS2) 和ZT，如圖1c和e所示。另一方面，通過(guò)調(diào)控?zé)犭婑詈蠀?shù)之間的復(fù)雜關(guān)系可相對(duì)小幅度提升載流子遷移率，如圖1b所示。在能帶調(diào)控中，可采取能帶對(duì)齊、調(diào)制摻雜、能帶銳化等策略，通過(guò)調(diào)整能帶位置以及帶形狀，來(lái)優(yōu)化載流子遷移率、載流子濃度和有效質(zhì)量之間的耦合關(guān)系，一定程度上提高載流子遷移率，實(shí)現(xiàn)對(duì)電性能和整體熱電性能的優(yōu)化，如圖1d和f所示。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算均證明優(yōu)化熱電材料載流子遷移率是一種提升熱電材料性能的有效方法。

大量研究[32~36]表明，通過(guò)構(gòu)建點(diǎn)缺陷、納米沉積相、晶界等全尺度晶體缺陷，可以有效降低體系晶格熱導(dǎo)率，但當(dāng)晶體缺陷尺度與載流子自由程大小相當(dāng)時(shí)也會(huì)對(duì)其造成強(qiáng)烈散射，損傷載流子遷移率。而若采用制備晶體、調(diào)控對(duì)稱性、調(diào)控微缺陷等方式合理調(diào)控晶體缺陷尺寸，減少對(duì)載流子的散射，就可以實(shí)現(xiàn)載流子遷移率和熱導(dǎo)率的協(xié)同優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載流子遷移率的大幅度提升，有效提升PF和ZT。

在多晶熱電材料中，高密度的晶界會(huì)強(qiáng)烈散射載流子，損傷載流子遷移率和電導(dǎo)率，抑制熱電性能的提升[37~39]。由于晶體中晶界密度較低，因此可以在具有本征低熱導(dǎo)率的熱電材料體系中通過(guò)制備高質(zhì)量晶體來(lái)大幅度提高載流子遷移率，如圖2a所示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電傳輸性能的躍升，獲得超高熱電性能優(yōu)值。圖2b~d為SnSe和SnS熱電材料中晶體與多晶熱電性能的對(duì)比[40~45]。SnSe是一種有發(fā)展?jié)摿Φ谋菊鞯蜔釋?dǎo)熱電材料[46]，通過(guò)Bridgman法制備的Na摻雜p型SnSe晶體在300 K下于b軸方向可獲得高載流子遷移率[41]，約為237 cm2/(V·s)，這大約是SnSe多晶在同等空穴濃度(4 × 1019cm-3)下的18倍[44]，載流子遷移率的顯著提高使晶體獲得比多晶高20倍的室溫超高PF(約40 μW/(cm·K2))，300~773 K的ZTave> 1.5。同樣地，在n型SnSe晶體樣品中，室溫載流子遷移率比載流子濃度相當(dāng)?shù)亩嗑Ц?0倍[40,43]，約為120 cm2/(V·s)，最高PF和最大ZT分別能達(dá)到約10 μW/(cm·K2)和2.8，300~773 K的ZTave約為1.14。SnS作為SnSe的同類化合物，由于強(qiáng)非諧振性表現(xiàn)出超低晶格熱導(dǎo)，但多晶中較低的載流子遷移率大大限制了其ZT[47,48]。實(shí)驗(yàn)[42,45]證明，通過(guò)生長(zhǎng)高質(zhì)量的SnS晶體同樣可以獲得寬溫域熱電性能的大幅提升，p型SnS晶體(Sn0.98Na0.02S0.91Se0.09)在室溫載流子濃度(2.6 × 1019cm-3) 較優(yōu)化Sn空位的多晶 (1.3 × 1019cm-3) 稍高的情況下，其室溫載流子遷移率仍提高60多倍，約為298 cm2/(V·s)，最高PF約為53 μW/(cm·K2)，最大ZT約為1.6，全工作溫度內(nèi)的ZTave被大大優(yōu)化到約1.25。

通過(guò)對(duì)SnSe與SnS材料的熱電傳輸特性進(jìn)行總結(jié)，提出可以通過(guò)制備晶體的方法去提升具有大帶寬和低對(duì)稱性半導(dǎo)體材料的熱電性能[2]。所以，對(duì)于BiCuSeO[49~51]、BiSbSe3[52~54]、Sb2Si2Te6[55,56]、BiSeX(X= Br或I)[57]等材料，也有望通過(guò)制備高質(zhì)量晶體而實(shí)現(xiàn)熱電性能的大幅提升。另外，由于晶體生長(zhǎng)高度依賴于設(shè)備且耗時(shí)長(zhǎng)，在各向異性明顯的材料中，也可以通過(guò)熱變形技術(shù)獲得晶粒沿某一特定方向排列的高取向織構(gòu)多晶樣品，充分利用其各向異性在某些晶體方向上達(dá)到接近晶體的高載流子遷移率。此方法可被用于改善層狀材料的熱電性能，并已廣泛應(yīng)用于Bi2Te3[58,59]、SnSe[60,61]以及BiCuSeO[62]等各向異性熱電材料體系中。

晶體結(jié)構(gòu)決定了材料的熱電傳輸特性，低晶格對(duì)稱性的材料由于強(qiáng)非諧振性表現(xiàn)出本征低熱導(dǎo)特性，而晶格對(duì)稱性高的材料往往表現(xiàn)出較高的載流子遷移率而具有較好的電傳輸性能[63]。如果通過(guò)合金化來(lái)調(diào)節(jié)晶格對(duì)稱性，可以協(xié)同優(yōu)化載流子遷移率和晶格熱導(dǎo)率，從而在本征低熱導(dǎo)的材料中獲得較高的熱電性能，如圖3a所示。SnSe晶體由于具有超低熱導(dǎo)而表現(xiàn)出優(yōu)異的熱電性能和發(fā)展?jié)摿Γ芯?span style="margin: 0px; padding: 0px; box-sizing: border-box; font-size: 10.5px; line-height: 0; position: relative; vertical-align: baseline; top: -0.5em;">[64,65]表明，當(dāng)溫度從室溫向高溫轉(zhuǎn)變，在約600 K時(shí)Se層內(nèi)距離d與層間距離D的值逐漸接近，低對(duì)稱性Pnma相開(kāi)始向高對(duì)稱性Cmcm相連續(xù)相變，其中高對(duì)稱性Cmcm相由于具有高載流子遷移率而表現(xiàn)出更高的熱電性能。通過(guò)Te合金化可以成功提高p型SnSe晶體的對(duì)稱性，進(jìn)一步得到優(yōu)于其他低對(duì)稱性SnSe晶體(單獨(dú)摻雜Na或Ag)的熱電性能[29,66]。如圖3b插圖所示[29]，當(dāng)Te取代短Sn—Se鍵上的Se時(shí)，鍵角1減小到88.38°，當(dāng)Te取代長(zhǎng)Sn—Se鍵上的Se時(shí)，鍵角2增大到80.78°，趨近高對(duì)稱性Cmcm相的鍵角(約86.07°)，這一結(jié)構(gòu)的改變證實(shí)了晶體對(duì)稱性的提高。如圖3b所示[29,64,66,67]，Te合金化后獲得的高對(duì)稱性使其能夠保持大于260 cm2/(V·s)的高載流子遷移率，這導(dǎo)致其功率因子和ZT較其他低對(duì)稱性樣品大大提高。如圖3c和d所示[29]，其在室溫可得到約55 μW/(cm·K2)的超高功率因子，在300~793 K能夠獲得約1.6的超高ZTave，最終獲得了約為18%的理論轉(zhuǎn)換效率。上述研究結(jié)果表明，晶格對(duì)稱性調(diào)控是一種提升低對(duì)稱性材料熱電性能的有效方法，這種方法可以應(yīng)用到其他熱電材料體系中。

納米結(jié)構(gòu)缺陷調(diào)控由于可以通過(guò)增強(qiáng)聲子散射顯著降低晶格熱導(dǎo)率而被廣泛應(yīng)用于優(yōu)化熱電性能[68~70]，但同時(shí)由于納米夾雜物增加了載流子散射，所以載流子遷移率和功率因子相對(duì)于基體也被降低，限制凈ZT的提高。研究[26]發(fā)現(xiàn)，在某些體系中通過(guò)微缺陷的精細(xì)調(diào)控、構(gòu)建亞納米結(jié)構(gòu)可以在降低晶格熱導(dǎo)率的同時(shí)保持載流子遷移率，最后獲得ZTave的大幅提升。

以PbQ(Q= Te、Se) 體系為例，其聲子的平均自由程(0.1~10 nm，亞納米尺度)遠(yuǎn)小于載流子的平均自由程(102~103nm，納米尺度)[71]。所以，如果在該體系中構(gòu)建亞納米尺度微缺陷(間隙原子或間隙原子團(tuán)簇等)，如圖4a所示，由于其尺寸范圍與聲子平均自由程相當(dāng)?shù)h(yuǎn)低于載流子平均自由程，可以在阻礙聲子傳播的同時(shí)不影響載流子傳輸，在降低晶格熱導(dǎo)率的同時(shí)保持高載流子遷移率，而達(dá)到“電子通過(guò)-聲子阻隔”的效果。如圖4b所示，亞納米結(jié)構(gòu)的PbTe (-Cu[72]、Cu2Te[73])和PbSe (-Cu[74]、Zn[75])體系的載流子遷移率可以接近理論值，而納米結(jié)構(gòu)的PbTe (-Ag2Te[76]、CdTe[77]和InSb[78])和PbSe (-CdSe[79]、SrSe[80])體系中由于大尺寸納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了載流子的散射，使得載流子遷移率大大降低。當(dāng)比較室溫載流子遷移率和晶格熱導(dǎo)率時(shí)，如圖4c所示，亞納米結(jié)構(gòu)樣品通過(guò)平衡聲子和載流子傳輸而表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。圖4d對(duì)納米結(jié)構(gòu)和亞納米結(jié)構(gòu)PbQ樣品室溫下的載流子遷移率與晶格熱導(dǎo)率之比(μ/κlat)進(jìn)行了對(duì)比，亞納米結(jié)構(gòu)的PbTe-Cu2Te、PbSe-Cu和PbSe-Zn中的μ/κlat比納米結(jié)構(gòu)的PbTe-Ag2Te、PbSe-CdSe和PbSe-SrSe中的高很多。在具有亞納米結(jié)構(gòu)的PbTe和PbSe體系中，高的載流子遷移率可以在整個(gè)溫度范圍內(nèi)(尤其是低溫區(qū))明顯提高功率因子，如圖4e所示，PbTe體系中，亞納米結(jié)構(gòu)的PbTe-Cu2Te體系的最大功率因子出現(xiàn)在423 K (約為37 μW/(cm·K2))，而納米結(jié)構(gòu)的PbTe-Ag2Te體系在775 K時(shí)的最大功率因子仍小于20 μW/(cm·K2)，PbSe體系中也可以觀察到類似的載流子輸運(yùn)特性。在全工作溫度范圍內(nèi)，亞納米結(jié)構(gòu)的存在使其ZT明顯高于納米結(jié)構(gòu)樣品，PbTe-Cu2Te和PbSe-Cu的ZTave約為1.0，如圖4f所示。在PbQ基體系中，亞納米結(jié)構(gòu)能很好地保持載流子遷移率，同時(shí)能散射聲子，最終顯著提高熱電性能，此優(yōu)化策略也可以推廣應(yīng)用到其他聲子與載流子自由程差異明顯的熱電材料體系中。

載流子遷移率、載流子濃度和有效質(zhì)量是決定熱電材料中電傳輸性能的關(guān)鍵參數(shù)。由于這3個(gè)電性能參數(shù)相互耦合，所以需要平衡它們之間的關(guān)系，保持基體高的載流子遷移率才能實(shí)現(xiàn)電傳輸性能的優(yōu)化。通過(guò)熱電耦合參數(shù)調(diào)控優(yōu)化載流子遷移率的策略主要包括：能帶對(duì)齊、調(diào)制摻雜和能帶銳化。能帶對(duì)齊策略中，通過(guò)調(diào)整基體與第二相之間的能帶差異來(lái)降低其對(duì)載流子的散射；調(diào)制摻雜策略中，載流子濃度和遷移率實(shí)現(xiàn)協(xié)同優(yōu)化；能帶銳化策略平衡了載流子遷移率和有效質(zhì)量之間的關(guān)系，進(jìn)而保持高的載流子遷移率，優(yōu)化電傳輸性能。

當(dāng)引入第二相來(lái)降低晶格熱導(dǎo)時(shí)，基體和第二相能帶之間的能量位置可能存在失配，這種能量失配也會(huì)對(duì)載流子造成額外的散射，對(duì)載流子遷移率產(chǎn)生不利影響[78,81,82]。能帶對(duì)齊策略通過(guò)合理調(diào)控基體相與第二相的能帶能量，使兩相間的能帶差最小化甚至實(shí)現(xiàn)能帶對(duì)齊，進(jìn)而最大程度減小基體相與第二相之間的界面能壘對(duì)載流子的散射，保持較高載流子遷移率和電傳輸性能[8]。對(duì)于主要靠空穴傳輸?shù)膒型材料，如圖5a所示，當(dāng)2個(gè)價(jià)帶頂能量接近或?qū)R時(shí)，空穴在系統(tǒng)中的輸運(yùn)將更加容易；而對(duì)于主要靠電子傳輸?shù)膎型材料，如果基體的導(dǎo)帶與第二相的導(dǎo)帶能量接近，則電子輸運(yùn)所受阻礙也會(huì)更小[16]。

在PbS體系中，通過(guò)復(fù)合與基體價(jià)帶差僅約為0.13 eV (0 K溫度下)的CdS第二相實(shí)現(xiàn)了p型PbS中的價(jià)帶對(duì)齊[8]；而通過(guò)調(diào)整n型Pb1－xSnxS中Sn的含量使基體的導(dǎo)帶下移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了與PbTe第二相的導(dǎo)帶對(duì)齊[30]。如圖5b所示[8,30,83~85]，能帶對(duì)齊后的p型與n型樣品的載流子遷移率明顯提高，相比于沒(méi)有能帶對(duì)齊效果的樣品更接近理論載流子遷移率。能帶對(duì)齊樣品中的高載流子遷移率使其全工作溫度的品質(zhì)因子(quality factorB，B= 9μw/κlat(T/ 300)5/2，其中μw表示加權(quán)遷移率(weighted mobility)，可通過(guò)電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)求得[54])和ZT明顯優(yōu)于普通固溶的樣品(p型的PbS-CaS和n型的PbS-Sb2S3)[8,84]，能帶對(duì)齊的p型和n型PbS的最高品質(zhì)因子達(dá)到約0.8，最大ZT達(dá)到約1.3，如圖5c和d所示。n型PbS體系中，300~923 K溫度范圍內(nèi)的ZTave在沒(méi)有能帶對(duì)齊的PbS-Sb2S3中約為0.52，而在實(shí)現(xiàn)了能帶對(duì)齊后可以提高到約0.72。以上研究結(jié)果表明，利用能帶對(duì)齊策略可以實(shí)現(xiàn)載流子與聲子的協(xié)同優(yōu)化，促進(jìn)熱電性能的更大提升。

摻雜通常是通過(guò)增加載流子濃度來(lái)提高電導(dǎo)率的有效方法[86]，然而高含量的摻雜劑帶來(lái)的電離雜質(zhì)會(huì)對(duì)載流子造成嚴(yán)重散射，而損傷載流子遷移率，甚至導(dǎo)致載流子遷移率驟降，嚴(yán)重限制了電性能的提高[87]。調(diào)制摻雜(modulation doping，MD) 一直被廣泛應(yīng)用于二維電子氣薄膜器件中以提高載流子遷移率[88]，從而提高電導(dǎo)率。這種策略也被成功應(yīng)用于熱電領(lǐng)域來(lái)提高SiGe基塊體復(fù)合熱電材料的電性能[89~91]。如圖6a所示，調(diào)制摻雜可通過(guò)復(fù)合未摻雜組分和重?fù)诫s組分實(shí)現(xiàn)。未摻雜組分的載流子濃度低，F(xiàn)ermi能級(jí)位于禁帶中間位置；重?fù)诫s組分的載流子濃度高，F(xiàn)ermi能級(jí)深入導(dǎo)帶(n型)或價(jià)帶(p型)[92]，當(dāng)將其按照一定比例混合時(shí)，由于Fermi能級(jí)位置梯度，載流子會(huì)自動(dòng)從重?fù)诫s相向未摻雜相擴(kuò)散，而未摻雜相由于電離散射中心較少而載流子遷移率較高，從而實(shí)現(xiàn)載流子濃度與載流子遷移率的協(xié)同優(yōu)化。

繼SiGe基材料之后，調(diào)制摻雜策略又在BiCuSeO基和BiAgSeS基體系中得到成功驗(yàn)證。純BiCuSeO與Bi1-xBaxCuSeO復(fù)合而成的調(diào)制摻雜樣品與同成分、均一摻雜的樣品相比[90]，保持了相近的載流子濃度而載流子遷移率增加了近2倍，如圖6b所示，這使其全工作溫度范圍內(nèi)的熱電性能得到極大改善，最大功率因子提高了160%，約為10 μW/(cm·K2)，在923 K獲得了最大ZT(約為1.4)，300~923 K的ZTave從約0.61提升到約0.71，如圖6c和d所示。在BiAgSeS體系中采用調(diào)制摻雜策略時(shí)載流子遷移率也得到顯著提高[93]，同樣獲得了比均一摻雜樣品更高的功率因子和ZT，最高PF和最大ZT分別約為5.8 μW/(cm·K2)和1.23，300~823 K下的ZTave從約0.36提高到約0.70。實(shí)驗(yàn)證明，在載流子遷移率較低的材料體系中，調(diào)制摻雜策略是提高其載流子遷移率而優(yōu)化其熱電性能的可行方法。

通過(guò)能帶簡(jiǎn)并和態(tài)密度共振雖然能夠通過(guò)提升載流子有效質(zhì)量來(lái)優(yōu)化Seebeck系數(shù)，但同時(shí)也會(huì)降低載流子遷移率導(dǎo)致電導(dǎo)率降低[94~97]。在各熱電材料體系中，各化合物的能帶形狀不同，反映了載流子有效質(zhì)量和載流子遷移率的差異。能帶形狀越尖銳，有效質(zhì)量越小，載流子遷移率越大。載流子遷移率與載流子有效質(zhì)量這2個(gè)參數(shù)相互競(jìng)爭(zhēng)，互成反比[71]：

其中，e代表電子電荷，τ0代表弛豫時(shí)間，kB代表Boltzmann常數(shù)。為保持較高的載流子遷移率，如圖7a所示，可以利用能帶尖銳化的策略來(lái)平衡載流子遷移率與載流子有效質(zhì)量之間的矛盾關(guān)系，最終獲得較高的電性能[30]。

在PbQ(Q= Te、S)體系中，研究[30,98]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)Sn固溶可以調(diào)整體系中的導(dǎo)帶(價(jià)帶)形狀，故可以通過(guò)改變Sn的固溶量使PbTe和PbS體系的導(dǎo)帶變尖銳，降低基體的載流子有效質(zhì)量，從而保持較高的載流子遷移率[30,84,85,98~103]，如圖7b所示。通過(guò)獲得最優(yōu)載流子遷移率和有效質(zhì)量的關(guān)系，使基體獲得最大品質(zhì)因子，最終可提升材料寬溫域的熱電性能。如圖7c和d所示，能帶銳化策略可在PbTe[98]和PbS[30]體系中使其最高品質(zhì)因子和ZTave提升> 130%，PbTe體系中300~875 K的ZTave從約0.60增大到約0.80，PbS體系中300~925 K的ZTave從約0.48增大到約0.60。上述研究在能帶對(duì)齊策略的指導(dǎo)下調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)，可為其他材料體系提高熱電性能提供新思路。

優(yōu)化載流子遷移率是提升寬溫域熱電性能的有效手段，本綜述從晶體缺陷調(diào)控和熱電耦合參數(shù)調(diào)控2個(gè)角度總結(jié)歸納了優(yōu)化載流子遷移率的策略。載流子遷移率的提高，可以顯著將最佳電傳輸性能移向中低溫區(qū)，從而有效地將中低溫?zé)嵩崔D(zhuǎn)化成電能。載流子遷移率優(yōu)化策略在多種熱電材料體系得到了成功應(yīng)用，充分證明其有效性，可能是實(shí)現(xiàn)室溫附近最大ZT> 2.0的一種有效手段。通過(guò)把載流子遷移率優(yōu)化策略推廣應(yīng)用于更多的熱電材料體系，有望開(kāi)發(fā)出可用于單級(jí)熱電臂的新型高效寬溫域熱電材料，進(jìn)而解決多級(jí)熱電臂器件中的界面老化問(wèn)題，提高熱電器件的轉(zhuǎn)換效率和服役穩(wěn)定性，推動(dòng)熱電器件的成果轉(zhuǎn)化與實(shí)際應(yīng)用。更多關(guān)于載流子優(yōu)化策略的理論和實(shí)驗(yàn)方法值得進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)深入研究，以便豐富和完善對(duì)載流子傳輸特性的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)在寬溫域內(nèi)平均熱電優(yōu)值的突破。同時(shí)，在熱電材料中引入磁、光、聲等多個(gè)自由度的交叉學(xué)科調(diào)控，或許能夠解耦電聲輸運(yùn)中復(fù)雜的矛盾關(guān)系，進(jìn)而推動(dòng)熱電材料理論體系的發(fā)展。