化学调控让立方相Cu6GeTeS4晶体热电性能更出色

热电材料能直接将废热转化为电能，但其效率受限于一个关键参数——热电优值ZT。ZT越高，能量转换效率越好。而提升ZT的最大难点在于：电子输运（决定发电能力）和晶格热输运（导致热量流失）相互耦合，难以兼顾。其中，晶格热导率κlat是唯一可独立调控的参数，因此抑制它成为提升性能的核心突破口。

本研究聚焦一类具有“类液态离子”特性的潜力材料——银闪石（argyrodite）。这类材料骨架刚硬、利于电子传输，同时内部铜/银离子高度活跃、振动剧烈，能强烈散射传热的声子，从而天然具备超低κlat。但传统铜基银闪石（如Cu8GeS6）存在两大缺陷：一是高温下易发生晶体结构相变（正交→立方），导致器件失效；二是铜离子长程迁移严重，造成电-热-化学稳定性差，难以实用。

研究人员创新性地提出“化学裁剪”策略：以Cu8GeS6为模板，精准移除2个铜原子、1个硫原子，并引入1个碲原子，成功合成新化合物Cu6GeTeS4。这一改造大幅降低了铜原子在晶体中的占位多重性（即铜原子可停留的位置种类和数量）。位置越少、越固定，铜离子就越难自由移动——就像把原本四处游荡的散兵收编进固定岗哨，既增强了结构热稳定性（实验证实其在990 K前不分解、无相变），又保留了离子振动散射声子的能力。

进一步研究发现，该材料拥有独特“笼状”结构：[TeCu18]¹⁶⁺原子团像柔软的笼子一样低频振动；铜与硫/碲之间的化学键较弱，共同造就了本征超低κlat（0.47–0.35 W·m⁻¹·K⁻¹）。在此基础上，再人为制造少量硫空位（得到Cu6GeTeS₃.₈₂），不仅未破坏稳定性，反而通过增强点缺陷散射，将κlat进一步压低至约0.25 W·m⁻¹·K⁻¹，最终在925 K实现ZT高达1.23的突破性性能——这已是目前p型铜基银闪石材料中的顶尖水平。配套单腿器件测试显示，其实际发电效率可达2.45%（温差280 K）。

总之，这项工作不仅提供了一种高性能、高稳定性的新型热电材料，更重要的是揭示了一条普适设计思路：通过精准调控晶体中原子占位的“多重性”，可协同优化材料的电、热、结构稳定性，为下一代高效热电材料开发提供了清晰路径。