热电（Thermoelectric, TE）材料能够将无处不在的废热直接转化为电能，为可持续能源管理提供了一条极具吸引力的固态解决方案。衡量热电器件实用性的两个核心指标——能量转换效率（η）和输出功率（P）——分别由材料的无量纲优值系数zT = S²σT/κ 和功率因子PF = S²σ决定。数十年来，热电研究的主流范式聚焦于通过最小化晶格热导率κL来最大化zT，催生了全尺度层级结构、晶格软化、能带汇聚以及类液态声子传输等一系列精妙策略。然而，这种单一追求声子散射的思路往往以牺牲载流子迁移率（μH）为代价，导致功率因子下降——真正优异的热电材料必须同时兼顾高zTavg和高PFavg。
在此背景下，高熵工程——通过引入五种及以上元素来提升构型熵——作为一种强有力的策略脱颖而出：剧烈的晶格畸变和质量起伏可显著散射声子，实现超低κL。然而，高熵并非万能良药。“蛮力式”地最大化组分复杂度可能引入过度无序，在散射声子的同时严重损害电子迁移率，SnPbTeSe体系中高熵稳定了单相却获得令人失望的低功率因子便是典型例证。这揭示了一个关键而常被忽视的问题：高熵是一种工具，而非普适解，其成功不取决于随机性本身，而深刻依赖于所选元素的具体化学与物理属性。
西安交大金属材料强度全国重点实验室孙军院士、丁向东教授团队及武海军教授，在《交叉材料》（Interdisciplinary Materials）（IF=31.6）上发表题为《设计熵调控实现高热电功率与高转换效率》（Designer Entropy Enables High Thermoelectric Power and Efficiency）的研究论文。该工作提出并实验验证了“设计熵”（Designer Entropy）这一全新范式——一种化学引导的合金化策略，超越了简单最大化无序度的传统思路，通过有意识地依据原子半径、质量和电子兼容性来选择合金元素，实现对电子与声子散射通道的选择性调控，从而同步解决效率与功率之间的根本矛盾。
研究团队以SnTe(GeSe)0.25为模型基体，系统对比了两条截然不同的合金化路径：掺杂原子半径与Sn匹配的Sb（“温和路径”）与原子半径/质量严重失配的Bi（“强扰动路径”）。结果表明，尽管两者获得了几乎相同的高转换效率（~5.7%，ΔT = 500 K），但Sb掺杂器件的最大输出功率达到23.1mW，较Bi掺杂器件（19.0 mW）提升约20%——在不牺牲效率的前提下显著提升了功率输出。这一工作明确证明了“高zT并不保证高功率”，为下一代高功率密度热电材料的设计提供了从“组分复杂度”迈向“组分智能化”的蓝图。
图1. (a)设计熵策略下Sb掺杂与Bi掺杂路径对SnTe(GeSe)0.25基体热电性能的差异化调控：随掺杂浓度递增，两条路径在平均功率因子（PFavg）和平均热电优值（zTavg）上的演变趋势及其分化行为。(b) 原子尺度结构起源解析：Sb掺杂（温和路径）与Bi掺杂（强扰动路径）在 HAADF-STEM Z衬度分布统计及晶格应变响应上的对比，揭示两种元素因原子半径/质量失配程度不同而引发的局部无序与应力场差异。(c) 器件级性能对比：Sn0.91Sb0.09Te(GeSe)0.25与Sn0.91Bi0.09Te(GeSe)0.25单臂器件在zTavg、转换效率（η）、PFavg 及最大输出功率（P）四项核心指标上的定量对比。
不同于传统高熵工程一味追求最大化构型熵，该工作首次提出“设计熵”概念——基于元素的原子半径、质量和轨道特性进行化学引导的靶向合金化设计。以SnTe(GeSe)0.25为模型基体，系统对比了半径匹配的Sb与半径/质量严重失配的Bi两条路径，揭示了在相同构型熵增量（ΔS）下，元素的具体化学特性才是决定输运性能分化的根本原因，从而将熵工程从“概率式随机合金化”提升至"靶向式组分智能化”。
综合运用XRD微应变分析、拉曼光谱以及沿[110]和[100]双晶带轴的原子分辨HAADF-STEM定量统计（Z衬度分布、键长统计、三维无序网络可视化），该工作构建了完整的“应力–无序–输运”证据链：Sb产生温和均匀的晶格应变，保持高载流子迁移率（~53 cm² V⁻¹ s⁻¹）并延迟双极化传导；Bi则形成以畸变中心为核心、应力场向外辐射的三维无序网络，虽将κL压至接近非晶极限（~0.33 W m⁻¹ K⁻¹），但严重降低迁移率（~30 cm² V⁻¹ s⁻¹）并提前触发双极化效应。引入加权迁移率（μw）和电子品质因子（BE）两个跨温度描述符，定量揭示了两条路径“效率相当、功率分化”的微观根源。
该工作采用完全相同的器件尺寸、掺杂浓度和组装工艺，在ΔT =500 K条件下，Sb与Bi掺杂器件获得几乎相同的转换效率（~5.65% vs ~5.75%），但Sb器件最大输出功率达23.1 mW，较Bi器件的19.0mW高出约20%。这一“等效率、高功率”的结果明确证明了“高zT并不保证高功率”，为高功率密度热电模块的开发提供了明确的设计准则：在固定效率边界下，通过元素定向设计优先提升功率因子，有效放大器件输出。
本工作的第一作者是西安交通大学材料学院在读博士研究生张仪华、彭古扬和杨宇轩，通讯作者是武海军教授、丁向东教授和孙军院士。该工作致谢西安交通大学分析测试中心的支持。
张仪华，西安交通大学博士研究生。以共同第一（排名第一）和通讯作者身份在Nat. Commun, Interdiscip. Mater., J. Mater. Chem. A, Adv. Energy Sustainility Res.等发表多篇论文。主持国家自然科学基金青年项目（博士研究生）、获西安交通大学优秀研究生、特等学业奖学金等。研究方向：基于结构开发高性能热电材料。
武海军，西安交通大学材料学院和金属材料强度全国重点实验室教授、博士生导师。曾任新加坡李光耀博士后研究员Lee Kuan Yew Postdoctoral Fellow（全球每年1-3人）。入选国家级青年人才计划、陕西省“三秦英才”青年人才等。作为首席科学家牵头重点研发计划“智能传感器”青年科学家项目，主持国家自然科学基金面上项目2项。荣获查理斯·哈契特奖Charles Hatchett Award（国际铌材料重大成果奖）、小米青年学者等。担任中国材料研究学会热电材料及应用分会理事和中国硅酸盐学会微纳技术分会理事。担任J. Adv. Dielect.编委和Sci. China Mater.、SusMat、InfoMat、Interdiscip. Mater.、DeCarbon等“中国科技期刊卓越行动计划”期刊的青年编委。围绕国家对于高效电子功能材料的战略需求，从事可实现力⇔电⇔热环境感知和能量转换的压电和热电材料的结构设计、机理分析及性能调控。以（共同）第一或通讯作者身份发表约100篇，包括Science, Nat. Commun. (14), Adv. Mater.系列 (20余篇), J. Am. Chem. Soc. (9篇)。SCI总被引>1.7万次，H因子69。2021-2025年连续入选科睿唯安全球高被引学者。
文章链接：https://doi.org/10.1002/idm2.70033
