近年來，以加快材料研發進程為目標的“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據庫技術，快速甄別決定材料性能的關鍵基本因素，實現科學化的“系統尋優”，完成材料的性能優化和新材料的設計與探索，突破了以往大量經驗積累和簡單試錯為特征的“經驗尋優”的傳統方式，降低了材料研發的周期和成本。以熱電能量轉換材料為例，傳統的研究方法涉及大量的結構和成分優化，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，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員史迅、陳立東與南方科技大學教授張文清等帶領的科研團隊，提出了采用材料中的“熵”這一具有類似基因特性的基礎參量作為熱電材料的性能表征參數，從而實現對多元熱電材料的快速篩選，發展了計算多元熱電材料體系熵的模型與方法，并結合計算與實驗對一系列多元體系進行了篩選、設計和驗證，獲得了多種熱電性能大幅提升的多元高熵熱電材料。該項工作是材料基因工程研究方法在熱電材料上應用的重要體現，豐富了“材料基因工程”理念的研究領域和內容。相關研究發表在《先進材料》雜志（Advanced Materials, adma.201702712R2）上。

　　在多元熱電材料體系中，構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鍵在于體系的固溶焓與構型熵之間的競爭。研究團隊首先建立了彈性力學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，獲得了決定體系構型熵上限的本征固溶因子d 判據，根據該判據可對各種熱電材料體系能否實現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3元的等比例高熵固溶，類金剛石結構(Cu/Ag)(In/Ga)Te2和 (Pb/Sn/Ge/Mn)Te族化合物可實現4元等比例高熵固溶。

　　在此基礎上，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化。首先由于熵的增加，晶格中的結構無序和畸變也隨之大幅增加，進而顯著降低了晶格熱導率。對于初始熱導率較高的體系（如類金剛石化合物），熵導致的熱導率的降低更為顯著。其次，熵的增加導致晶體結構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性能。例如Cu2(S/Se/Te)基體化合物室溫時為單斜結構，對它們進行多元化增加材料的熵后，其晶體結構轉變為具有較高對稱性的六方結構，其塞貝克系數在相同載流子濃度下提升了3倍以上。基于上述效應，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值ZT分別提升至1.6和2.23。

　　該研究工作得到了國家基礎研究計劃、國家重點研發計劃材料基因組專項、國家自然科學基金、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 

多元高熵熱電材料的示意圖（圖A-C）以及熵對熱電優值ZT的優化（圖D）

多元等比例高熵固溶的晶格畸變能、體系構型熵與固溶元素種類的關系

不同熱電體系中材料的熱導率（圖A）和塞貝克系數（圖B）與熵值的關系