高性能热电材料的实际应用不仅依赖于优异的能量转换效率，还高度依赖于材料在加工、组装、焊接和热循环服役过程中的机械可靠性。对于SnTe、PbTe、GeTe、Bi2Te3等重硫族化物热电材料而言，超价键特征赋予其优异的电输运性能和本征低晶格热导率，但也带来了结构柔软、抗剪切能力弱、脆性明显等问题。传统合金化和纳米结构策略虽然能够有效降低晶格热导率，却常常进一步引入随机无序、界面缺陷和局域应力集中，导致材料在器件制备和服役过程中容易发生开裂或失效。
因此，如何在保持高热电性能的同时提升材料力学强度和服役稳定性，是SnTe 基及其他超价键热电材料走向实际应用必须解决的关键问题。近年来，高熵与中熵设计为这一难题提供了新的思路：通过构型熵稳定复杂固溶体，并利用不同元素的尺寸、价态和溶解度差异，引导多尺度缺陷结构的有序演化，有望突破传统“高性能—低可靠性”的限制。
然而，高熵并不等同于简单地增加元素数量或制造随机无序。真正有效的熵工程需要回答三个核心问题：引入哪些元素、以何种顺序引入、最终形成何种缺陷结构。只有将熵稳定效应与元素化学特性相结合，才能实现对电子输运、声子散射和力学强化机制的同步调控。
近日，西安交大金属材料强度全国重点实验室和材料学院孙军院士、丁向东教授、武海军教授团，在国际材料学期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表题为《熵调控分级缺陷结构实现 SnTe 合金热电与力学性能双重增强》（“Entropy-Enabled Hierarchical Defect Architecture for Dual Enhancement of Thermoelectric and Mechanical Performance in SnTe Alloys”）的研究论文。该工作以SnTe基热电材料为模型体系，提出“熵驱动层级缺陷结构”设计策略，实现了热电性能与力学性能的同步增强。
该工作中，研究团队并非简单追求高组分复杂度，而是将构型熵作为稳定复杂单相固溶体的热力学平台，并进一步利用GeSe、Sb、Cd等元素在尺寸、价态和溶解度方面的差异，逐级引导缺陷结构演化。首先，GeSe合金化在SnTe基体中引入强局域晶格畸变和0D替位原子团簇，增强高频声子散射；随后，Sb掺杂虽然与 Sn 具有相近的原子半径和质量，但其异价取代特征可引发局域应力场和缺陷重排，促进晶界附近1D位错阵列形成；进一步引入Cd后，由于其固溶度受限，冷却过程中形成与SnTe基体共格的3D (Cd,Ge)Se纳米析出相。由此，材料内部构建了从原子尺度局域畸变、替位原子团簇，到位错阵列和共格纳米析出相的层级缺陷结构。
这一层级缺陷结构在热输运、电输运和力学行为中发挥了多重作用。0D点缺陷和替位团簇主要散射高频声子，1D位错阵列有效散射中频声子并贡献应变硬化，3D共格纳米析出相进一步散射声子并钉扎位错、阻碍位错滑移。同时，共格界面保持了良好的晶格连续性，避免了严重的载流子界面散射。得益于这种多尺度协同机制，优化成分Sn0.91Cd0.03Sb0.09Te(GeSe)0.25在873 K下获得低至0.26 W·m⁻¹·K⁻¹ 的晶格热导率，峰值zT达到1.7。
更重要的是，该材料在保持高热电性能的同时显著提升了力学强度。优化样品的压缩屈服强度达到220 MPa，相比原始SnTe的120 MPa 提升约83%，同时仍保持合理塑性。原位TEM微柱压缩实验进一步显示，Cd掺杂样品在纳米尺度下表现出优异的抗变形能力和位错—析出相相互作用，证实共格纳米析出相与位错网络能够协同实现载荷传递、位错钉扎和裂纹抑制。器件验证方面，基于优化SnTe材料构筑的单腿器件在ΔT = 550 K下实现约7.2% 的转换效率和约30 mW的输出功率。
图1 熵驱动层级缺陷结构实现SnTe热电性能与力学性能协同提升。通过Ge/Se、Sb、Cd的逐步引入，SnTe基体中的缺陷结构依次演化为0D替位原子团簇、1D 位错阵列和3D共格纳米析出相。该层级结构在多频段散射声子的同时，通过位错钉扎、载荷传递和析出强化提升材料力学性能，最终实现低晶格热导率、高zT、高器件效率和高屈服强度的统一。
该成果提出了“熵驱动层级缺陷结构”策略，实现从随机合金化到定向缺陷构筑的转变，建立了电输运、声子散射与力学强化的多尺度协同机制，实现了SnTe 基材料高热电性能、高器件效率和高力学强度的统一。
该工作明确指出，熵工程的核心不应只是增加元素数量或提升组分复杂度，而应将构型熵作为稳定复杂单相固溶体的热力学平台，再利用不同合金元素的尺寸效应、价态差异和溶解度限制，引导特定缺陷结构逐级形成。研究团队在SnTe中构建了0D替位原子团簇、1D位错阵列和3D共格纳米析出相组成的层级缺陷结构，实现了从“随机无序合金化”向“定向缺陷架构设计”的转变。这一策略为高熵热电材料设计提供了更清晰的物理图像：高熵不是目的，而是稳定复杂基体和引导缺陷演化的手段。
传统热电优化策略往往重点关注降低晶格热导率，而对载流子迁移率保持和力学可靠性考虑不足。该工作通过层级缺陷结构实现多重功能协同：替位原子团簇增强局域应力涨落并散射高频声子。位错阵列散射中频声子并贡献应变硬化。共格 (Cd,Ge)Se纳米析出相进一步散射声子，同时通过位错钉扎和载荷传递提升力学强度。更重要的是，共格界面保持了晶格连续性，避免了严重载流子散射，使材料能够在低晶格热导率、高功率因子和高力学强度之间取得平衡。这一机制突破了传统缺陷工程中增强声子散射往往损害电输运和力学可靠性的局限。
该工作优化成分Sn0.91Cd0.03Sb0.09Te(GeSe)0.25实现了0.26 W·m⁻¹·K⁻¹ 的超低晶格热导率、1.7的峰值zT和0.73的平均zT。同时，材料压缩屈服强度达到220 MPa，相比原始SnTe提升约83%。在器件层面，单腿器件和多腿器件分别实现约7.2%和5.7%的转换效率。该结果证明，热电材料的性能优化不应局限于zT单一指标，而应面向实际应用同步考虑热电转换、机械可靠性和器件稳定性。该工作为亚稳价键热电材料以及其他脆性功能材料的强韧化与高效化协同设计提供了可推广的新路径。
西安交通大学金属材料强度全国重点实验室为论文第一单位，张仪华、彭古扬及张杨为论文共同第一作者，武海军教授、孙军院士和丁向东教授为论文共同通讯作者。该工作致谢西安交通大学分析测试中心的支持。
论文链接地址：https://doi.org/10.1002/adma.73653
武海军教授课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/Wu_Haijun
