维度网讯，日本东京科学大学（Science Tokyo）的研究团队开发了一种新型层状晶体TlFe1.6Se2，通过将原子级薄的FeSe层嵌入块体晶体，该材料同时实现了高热电功率因子和极低热导率，为热电材料设计提供了新思路。
热电技术利用材料两端温差发电，适用于工厂、汽车和发电厂的废热回收。要实现高发电性能，材料需兼顾高效热电转换和维持温差所需的低热导率，两者通常难以兼得。超导体因热电性能差而鲜少被用于热电领域，但原子级薄的硒化铁（FeSe）薄膜表现出异常高的热电功率因子。然而，这种性能仅在超薄膜中实现，且块体FeSe热导率较高，限制了其实际应用。
为克服上述局限，由材料与结构实验室的Takayoshi Katase教授领导的研究团队设计了含铊（Tl）的层状晶体TlFe1.6Se2。该晶体中，原子级薄的FeSe层与有序铁空位一同被周期性嵌入块体晶体，旨在结合FeSe层的高热电功率因子和铁空位引入的低热导率。该研究于2026年4月30日在线公开，2026年6月23日发表在《Journal of Materials Chemistry A》第14卷第37期。
研究显示，TlFe1.6Se2具有两大优势。首先，嵌入的FeSe原子层产生的热电功率因子远高于传统块体FeSe，主要归因于塞贝克系数显著增大，表明原子级薄FeSe的电子特性可融入块体晶体。其次，该材料表现出极低热导率，其FeSe层内天然含有的铁空位会扭曲原子键并散射载热声子。Katase教授补充说，重Tl原子的掺入及复杂层状结构进一步降低了声子速度并增强散射。
在大约180 °C时，该材料经历从铁空位有序相到无序相的可逆转变，这一转变增强了声子散射，使热导率降至约0.2 W m-1 K-1，与最先进的热电材料相当。在铁空位有序相中，塞贝克系数超过100 μV K-1，热电功率因子约为无序相的5倍，研究将其归因于与空位有序排列相关的电子结构变化。
研究人员认为，该方法将原子级薄材料的高热电功率因子与有序铁空位引入的极低热导率相结合，为热电材料设计开辟了新方向。Katase教授表示，这一设计概念验证了将低维材料功能嵌入块体晶体的有效性，有望克服电学和热学传输性能之间的传统权衡。该方法还可扩展至含钾、铷或铯的FeSe化合物，这些材料同样含有FeSe层和可调的铁空位浓度，成为优化热电性能的有前景平台。
