近日，重庆大学分析测试中心副研究员张斌与法国Emmanuel Guilmeau（CRISMAT, CNRS, Normandie University, France）教授团队合作在Pb-Sn-S热电材料体系的研究中取得重要进展，相关成果发表于Journal of the American Chemical Society（原文链接）。张斌副研究员作为共同通讯作者深度参与了本工作，完成了显微表征、数据分析、全文讨论与撰写等工作。
近年来，金属硫化物由于低廉的成本优势在热电材料领域受到广泛关注。但是由于硫原子较轻，导致与硒化物和碲化物相比，金属硫化物通常表现出更高的晶格热导率。 因此寻找与开发具有本征低热导金属硫化物热电材料体系，并探寻其低导热率的晶格动力学根源成为这一领域的研究热点。为此，Emmanuel Guilmeau教授团队围绕金属硫化物开展了大量工作，已成功开发多个低热导、高品质金属硫化物热电材料体系。
图1. 一维链状PbSnS3和二维层状PbSnS2金属硫化物的晶格热导（κL）与晶体结构
本文通过对（二维层状）PbSnS2和（一维链状）PbSnS3两种金属硫化物的结构和输运性质进行比较分析，发现控制其低晶格导热系数（κL）的内因源于晶体结构低维数与阳离子孤对电子立体化学活性的综合作用。具体而言，这两种材料中均存在弱键（即PbSnS3中的弱Pb-S链间键和PbSnS2中的弱Pb(Sn)-L-Pb(Sn)层间相互作用），因而有利于声子散射，从而导致室温下一维PbSnS3和二维PbSnS2的本征晶格热导κL分别为1.0 W/m K，0.6 W/m K。然而，这两种材料的热输运性质/行为截然不同。其中，PbSnS3低温下表现出更高的热导率，具有Umklapp峰；而二维 PbSnS2在整个温度范围内均表现为玻璃态热导率。第一性原理密度泛函理论计算表明，在费米能级以下反键态的存在诱导了低的κL，特别是一维PbSnS2中的极低κL。此外，在声子色散中表现出非常软的声子分支，从而产生软晶格和非常低的声速，强烈抑制了κL。基于透射电镜表征，不但从原子尺度确定了两种材料的晶体结构，同时揭示了PbSnS2中的晶体缺陷，从而更加有利于其极低晶格热导的获得。最后，这种令人兴奋的极低κL声子输运性质与不寻常的温度依赖性证明了结构化学和晶格热/振动性质之间丰富的相互作用，有利于其在光电与热电等领域的应用。
图2. 基于透射电镜的PbSnS3与PbSnS2两种硫化物的微结构表征
本文第一兼通讯作者Paribesh Acharyya博士（CRISMAT, CNRS, Normandie University, France），通讯作者张斌副研究员（重庆大学分析测试中心）与Emmanuel Guilmeau教授（CRISMAT, CNRS, Normandie University, France）。此外，中心与Emmanuel Guilmeau教授团队展开了良好的合作关系，近两年已合作发表Journal of the American Chemical Society（3篇）、Angewandte Chemie（1篇）。
近年来，中心助力高水平前沿研究与国际合作能力显著提升，已取得大量重要成果，包括与北京工业大学等单位合作的负焓合金工作，于2024年初发表于自然期刊（Nature 625(7996):1-6）。后续中心将继续依托综合性分析测试能力，人才、设备和技术储备等优势，为更多高水平成果产出贡献力量。
文章通讯作者张斌介绍
张斌博士，副研究员，主要从事电子显微学与材料微结构研究。负责重庆大学分析测试中心透射电镜、双束电镜等设备运行管理。已发表学术论文100余篇，授权国家发明专利4项；主持及参与国家自然科学基金、重庆市教委、重庆大学大型仪器功能开发等基金项目多项。获中国分析测试协会科学技术奖一等奖、高校分析测试优秀青年人才奖二等奖、重庆市卓越工程师大赛优胜奖等荣誉。
支撑文章所使用的分析测试中心主要设备
聚焦离子/电子双束电镜 （FIB-SEM）
高分辨场发射透射电镜 （TEM）
测试咨询
张斌老师，手机：15201585493
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