近年來，以加快材料研發(fā)進程為目標的“材料基因工程”通過有效整合材料計算、材料合成和表征及數(shù)據(jù)庫技術(shù)，快速甄別決定材料性能的關(guān)鍵基本因素，實現(xiàn)科學(xué)化的“系統(tǒng)尋優(yōu)”，完成材料的性能優(yōu)化和新材料的設(shè)計與探索，突破了以往大量經(jīng)驗積累和簡單試錯為特征的“經(jīng)驗尋優(yōu)”的傳統(tǒng)方式，降低了材料研發(fā)的周期和成本。以熱電能量轉(zhuǎn)換材料為例，傳統(tǒng)的研究方法涉及大量的結(jié)構(gòu)和成分優(yōu)化，時間周期長，因而采用“材料基因工程”的研究方法尤為重要。

　　最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東與南方科技大學(xué)教授張文清等帶領(lǐng)的科研團隊，提出了采用材料中的“熵”這一具有類似基因特性的基礎(chǔ)參量作為熱電材料的性能表征參數(shù)，從而實現(xiàn)對多元熱電材料的快速篩選，發(fā)展了計算多元熱電材料體系熵的模型與方法，并結(jié)合計算與實驗對一系列多元體系進行了篩選、設(shè)計和驗證，獲得了多種熱電性能大幅提升的多元高熵?zé)犭姴牧稀Ｔ擁椆ぷ魇遣牧匣蚬こ萄芯糠椒ㄔ跓犭姴牧仙蠎?yīng)用的重要體現(xiàn)，豐富了“材料基因工程”理念的研究領(lǐng)域和內(nèi)容。相關(guān)研究發(fā)表在《先進材料》雜志（Advanced Materials, adma.201702712R2）上。

　　在多元熱電材料體系中，構(gòu)型熵取決于體系中的固溶元素種類和各自的固溶度，而能否形成具有一定固溶元素種類和固溶度的關(guān)鍵在于體系的固溶焓與構(gòu)型熵之間的競爭。研究團隊首先建立了彈性力學(xué)模型對系列二元和多元熱電材料體系的固溶特性進行了評估，獲得了決定體系構(gòu)型熵上限的本征固溶因子d 判據(jù)，根據(jù)該判據(jù)可對各種熱電材料體系能否實現(xiàn)高熵固溶進行有效篩選，如Cu2(S/Se/Te)、半赫斯勒合金多元熱電材料可以實現(xiàn)3元的等比例高熵固溶，類金剛石結(jié)構(gòu)(Cu/Ag)(In/Ga)Te2和 (Pb/Sn/Ge/Mn)Te族化合物可實現(xiàn)4元等比例高熵固溶。

　　在此基礎(chǔ)上，作為類似基因特性的熵可從電子和聲子的輸運等多方面指引熱電材料的性能優(yōu)化。首先由于熵的增加，晶格中的結(jié)構(gòu)無序和畸變也隨之大幅增加，進而顯著降低了晶格熱導(dǎo)率。對于初始熱導(dǎo)率較高的體系（如類金剛石化合物），熵導(dǎo)致的熱導(dǎo)率的降低更為顯著。其次，熵的增加導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的局部特征無序增多，從而使得材料具有更高的宏觀晶體對稱性，進而增加材料的能帶簡并度并改善電學(xué)性能。例如Cu2(S/Se/Te)基體化合物室溫時為單斜結(jié)構(gòu)，對它們進行多元化增加材料的熵后，其晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂休^高對稱性的六方結(jié)構(gòu)，其塞貝克系數(shù)在相同載流子濃度下提升了3倍以上?；谏鲜鲂?yīng)，多元高熵類金剛石化合物和Cu2(S/Se/Te)熱電材料的最佳熱電優(yōu)值ZT分別提升至1.6和2.23。

　　該研究工作得到了國家基礎(chǔ)研究計劃、國家重點研發(fā)計劃材料基因組專項、國家自然科學(xué)基金、中科院重點部署項目、上海市科委重大項目等的資助和支持。

　　論文鏈接 

多元高熵?zé)犭姴牧系氖疽鈭D（圖A-C）以及熵對熱電優(yōu)值ZT的優(yōu)化（圖D）

多元等比例高熵固溶的晶格畸變能、體系構(gòu)型熵與固溶元素種類的關(guān)系

不同熱電體系中材料的熱導(dǎo)率（圖A）和塞貝克系數(shù)（圖B）與熵值的關(guān)系