由于各载流子输运参数的牵制导致热电薄膜很难既实现载流子高效输运，又保持较大的热电势和适中的载流子浓度。研究团队提出跳出“只靠掺杂”的单一路径，通过界面调控与磁性纳米颗粒协同作用，为Bi2Te3薄膜同时提升热电发电和光热电探测性能提供新的材料创作构想。
导 读
低品位热能回收和微型光探测器都需要高性能、可集成的薄膜材料。Bi2Te3是经典热电半导体，但其载流子浓度、迁移率和有效质量之间存在耦合。研究团队将处理结合，在同一材料体系中重新组织界面与载流子输运，为实现载流子输运参数间的单独调控提供了新方案。
图1 界面调控与磁电相互作用示意图
关键输运参数耦合
热电材料的
界面与磁场协同调控
研究团队首先在SiO₂基底上构筑碳纳米管（CNT）网络，并交替沉积Bi2Te3与Co纳米颗粒，形成Co/CNT/Bi2Te3复合薄膜。CNT可提供一维高迁移率输运通道，Co纳米颗粒则为材料引入局域磁性和额外的电子结构调控自由度。在此基础上，团队进一步施加脉冲电场（pulsed electric field，PEF），使外加电场直接作用于复合界面。该设计实现了“载流子通道-磁性纳米颗粒-界面重构”在同一薄膜中的相互配合。
脉冲电场让界面从“障碍”变成“通道”
未经处理的薄膜界面存在明显的非晶层(CNT/Bi2Te3)，Co/Bi2Te3界面还伴随晶格失配和位错，这些结构会成为载流子散射中心。经PEF处理后，CNT/Bi2Te3界面发生结晶化，同时在Co与Bi2Te3之间原位形成CoTe2纳米层，并构建出Co/CoTe2/Bi2Te3
图2 脉冲电场促进复合界面晶化
从材料参数走向器件性能
在上述协同调控下，PEF-Co/CNT/Bi2Te3薄膜的室温功率因子达到51.68 μW·cm-1·K-2。基于该薄膜，研究团队分别制备了单腿热电器件和光热电探测器：当温差ΔT为39 K 时，热电器件的输出功率密度达到10.26 W·m-2；在365 nm紫外光照射下，探测率达到5.95×109
图3 Bi2Te3基薄膜器件的热电发电与光电探测性能
总结与展望
本研究提出了一种界面调控和磁电相互作用的协同策略。PEF处理使CNT/Bi2Te3界面结晶化，并形成Co/CoTe2/Bi2Te3共格界面。Co纳米颗粒则通过载流子注入、电子态密度调节和局域磁场作用，为输运参数调控增加了新的自由度。该工作表明，突破传统掺杂导致的参数耦合问题可以从界面有序化和局域物理场方向解决。未来仍需进一步考察大面积制备、长期稳定性、柔性集成以及不同波段光热电响应等方向。
责任编辑
吴育杭 The Innovation