Ученые Токийского научного университета разработали слоистый кристалл с низкой теплопроводностью и высокой термоэлектрической эффективностью

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа Токийского научного университета (Science Tokyo) разработала новый слоистый кристалл TlFe_1,6Se₂. Встраивая атомарно тонкие слои FeSe в объемный кристалл, этот материал одновременно достигает высокого термоэлектрического коэффициента мощности и чрезвычайно низкой теплопроводности, открывая новые возможности для проектирования термоэлектрических материалов.

Термоэлектрическая технология использует разность температур на концах материала для выработки электроэнергии и применяется для утилизации отработанного тепла на заводах, в автомобилях и на электростанциях. Для достижения высокой производительности материал должен сочетать эффективное термоэлектрическое преобразование с низкой теплопроводностью, необходимой для поддержания разности температур, что обычно трудно совместить. Сверхпроводники редко используются в термоэлектрике из-за плохих термоэлектрических свойств, однако атомарно тонкие пленки селенида железа (FeSe) демонстрируют аномально высокий термоэлектрический коэффициент мощности. Тем не менее, эта производительность достигается только в сверхтонких пленках, а объемный FeSe имеет высокую теплопроводность, что ограничивает его практическое применение.

Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательская группа под руководством профессора Такаёси Катасэ из Лаборатории материалов и структур разработала слоистый кристалл TlFe_1,6Se₂, содержащий таллий (Tl). В этом кристалле атомарно тонкие слои FeSe вместе с упорядоченными вакансиями железа периодически встраиваются в объемный кристалл, чтобы объединить высокий термоэлектрический коэффициент мощности слоев FeSe с низкой теплопроводностью, обусловленной вакансиями железа. Исследование было опубликовано в открытом доступе онлайн 30 апреля 2026 года и вышло в печати 23 июня 2026 года в журнале Journal of Materials Chemistry A, том 14, выпуск 37.

Исследование показывает, что TlFe_1,6Se₂ обладает двумя основными преимуществами. Во-первых, термоэлектрический коэффициент мощности, создаваемый встроенными атомными слоями FeSe, значительно выше, чем у традиционного объемного FeSe, что в основном объясняется значительным увеличением коэффициента Зеебека, указывающим на то, что электронные свойства атомарно тонкого FeSe могут быть интегрированы в объемный кристалл. Во-вторых, материал демонстрирует чрезвычайно низкую теплопроводность, поскольку естественные вакансии железа в слоях FeSe искажают атомные связи и рассеивают теплопереносящие фононы. Профессор Катасэ добавил, что включение тяжелых атомов Tl и сложная слоистая структура дополнительно снижают скорость фононов и усиливают рассеяние.

При температуре около 180 °C материал претерпевает обратимое превращение из фазы с упорядоченными вакансиями железа в фазу с неупорядоченными вакансиями. Это превращение усиливает рассеяние фононов, снижая теплопроводность примерно до 0,2 Вт·м^-1·К^-1, что сопоставимо с самыми современными термоэлектрическими материалами. В фазе с упорядоченными вакансиями железа коэффициент Зеебека превышает 100 мкВ·К^-1, а термоэлектрический коэффициент мощности примерно в 5 раз выше, чем в неупорядоченной фазе. Исследователи связывают это с изменениями электронной структуры, связанными с упорядоченным расположением вакансий.

Исследователи полагают, что этот метод, объединяющий высокий термоэлектрический коэффициент мощности атомарно тонких материалов с чрезвычайно низкой теплопроводностью, обусловленной упорядоченными вакансиями железа, открывает новое направление в проектировании термоэлектрических материалов. Профессор Катасэ отметил, что эта концепция дизайна подтверждает эффективность встраивания функциональности низкоразмерных материалов в объемные кристаллы и может преодолеть традиционный компромисс между электрическими и тепловыми транспортными свойствами. Этот метод также может быть распространен на соединения FeSe, содержащие калий, рубидий или цезий, которые также содержат слои FeSe и регулируемую концентрацию вакансий железа, что делает их перспективной платформой для оптимизации термоэлектрических свойств.