项目名称：热电材料电热输运新机制与性能优化
完成单位：武汉理工大学
获奖类型：2024年度建筑材料科学技术奖基础研究奖一等奖
该项目属于无机非金属新材料领域，涉及半导体热电材料的性能提升与应用。
热电材料作为热能与电能直接转换的关键功能材料，在光通信、物联网及建材行业节能减排等领域具有重要应用，对我国实现双碳目标具有重要支撑作用。热电材料电导率、Seebeck系数和热导率三个物理参数的协同优化是大幅度提升热电性能ZT值的关键，是长期未能解决的国际性难题，被中国科协列为先进材料领域5大难题之一。
项目的主要科学发现和科学创新为，以Mg2Si基、SnTe、Cu2Se、Bi2Te3等重要热电材料体系为研究对象：
1. 在电子结构层次，发现了内禀特性调控产生的电子能带结构收敛效应和能带反转效应，大幅度提升了材料的电性能。
2. 在晶体结构层次，发现通过广域晶体结构和局域化学键调控，增强光声耦合，大幅度降低了声速和晶格热导率。
3. 在原子和微结构层次，发现通过深、浅杂质形成级联能级和异质界面电荷动态转移，在宽温域内有效优化了载流子浓度。
基于以上三个发现，项目实现了材料电热输运性能的协同调控和ZT值的重大突破。项目开发的Bi2Te3基热电材料和微型热电器件已在中信科、高德红外、力子光电等公司批量应用，打破了国外垄断，实现了国产替代。
项目工作发表在 Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.等期刊的10篇代表性论文，被国际上 400 余家课题组和研究机构跟踪和引用，总他引 1689次，单篇他引最高 769次，出版重要学术专著《热电材料物理化学》，作邀请报告20余次，获国际热电学会授予的Goldsmid奖1项。项目为高效热电材料的开发提供了新途径和新方法，引领了热电材料研究的新方向，为我国战略性新兴产业的发展提供了关键材料，提升了我国热电材料科学的核心竞争力和国际影响。
热电转换原理（左图）及开发的微型半导体热电芯片（右图）
