近日，深圳技术大学集成电路与光电芯片学院王戊副教授联合南方科技大学物理系何佳清教授团队，在半导体热电材料研究方面取得重要进展。该研究在原子尺度上揭示了碲化铋基热电材料中固有的化学不均匀性，阐明了其形成机制及对热电输运的决定性作用。并且，基于化学键极性、电子带隙与塞贝克系数之间的物理关联，建立了从原子结构到宏观热电性能的定量关联框架，实现了由原子尺度元素分布直接推演材料性能的突破，为芯片热管理、精密器件温控等关键应用提供了重要的设计指导。相关成果以“Atomic-Scale Chemical Inhomogeneity as a Determinant of Thermoelectric Transport in Bi₂Te₃-Based Materials”为题，发表在物理学顶级期刊Physical Review X。

随着半导体产业从单一芯片到多芯片，从单一电子芯片到电子-光子共封装的转变，芯片的热管理成为最亟待解决的多学科问题，而新型热电材料及其原子层次的理解成为根本上解决散热问题的前提。Bi₂Te₃基材料是室温区性能最优的热电体系之一，广泛应用于芯片热管理、小型制冷与精密温控等领域。在该体系中，通过引入锑（Sb）或硒（Se）进行合金化是提升性能的有效策略。学界长期认为在Bi₂Te_3-xSe_x固溶体中，Se原子会优先完全占据五重层结构中的中心层Te⁽²⁾位点，再逐步进入外层Te⁽¹⁾位点。然而，研究团队利用球差校正透射电镜的原子分辨能谱成像技术，并结合自主发展的数据降噪方法，在原子尺度揭示了Se元素的真实占位情况：Se在不同成分下同时占据Te⁽¹⁾与Te⁽²⁾位点，但始终在中心层显著富集，形成稳定且普遍存在的局域化学不均匀结构。并且，定量测得各层位Se占位比例，构建出包含真实局域不均匀性的精确原子模型，修正了以往仅基于平均结构信息建立的原子模型。

进一步，通过电荷密度成像与电子能量损失谱分析，在原子尺度直接揭示Bi₂Te₃中心层与外层之间的化学键合差异：外层Te原子表现出更强的负电荷特征，而中心层Te原子则呈现不同的电荷分布与化学价态。这表明中心层Bi–Te键更偏共价特性，外层Bi–Te键则更具离子性，为持续六十余年的Bi₂Te₃化学键合差异理论提供了首个原子尺度的实验证据。结合第一性原理计算与热力学模型分析，阐明了Bi₂Te_3-xSe_x的局域化学不均匀性源于层间化学键差异与热力学平衡中焓–熵竞争的共同作用。更为重要的是，建立了层间位点Se含量差异、化学键极性、带隙宽度与塞贝克系数之间的定量关联框架，实现了从原子尺度元素分布到宏观热电输运性能的跨尺度预测。该研究揭示了Bi₂Te₃基热电材料原子尺度结构—化学键—电子结构—输运性能的关联新机制，为高性能热电材料、先进封装材料以及芯片热管理架构的精准设计提供了新思路。

该论文共同第一作者为深圳技术大学副教授王戊、北京应用物理与计算数学研究所崔娟助理研究员、南科大物理系博士生王忠斌。通讯作者为王戊、何佳清教授。该研究得到了国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1103/qqrq-ths7

作者简介：https://icoc.sztu.edu.cn/info/1015/1443.htm