近日，上海交通大学张江高等研究院未来材料创制中心胡志宇教授团队联合清华大学航天航空学院王沫然教授团队、香港城市大学材料科学与工程系及上海交通大学机械与动力工程学院，在热电多层膜界面输运调控研究中取得重要突破。相关研究成果以"Regulating phonon–carrier transport by interfacial symmetry breaking in thermoelectric multilayers"为题，发表于国际综合性顶级学术期刊《Science Advances》。

上海交通大学为论文第一完成单位，张江高等研究院未来材料创制中心博士研究生姚正同与清华大学航天航空学院刘彬博士、香港城市大学材料科学与工程系张帅博士为论文共同第一作者，上海交通大学张江高等研究院未来材料创制中心胡志宇教授、高文旆副教授、原亚焜副教授、上海交通大学机械与动力工程学院吴振华博士和清华大学航天航空学院王沫然教授为论文共同通讯作者。

1. 热电材料的“难题”

    热电材料可以把温差直接转化为电能。它没有传统发电机复杂的机械运动部件，只要材料两端存在温差，就有可能产生电能。但要让这种转换足够高效并不容易。这是因为，在材料内部，传递热量和传递电荷的过程并非完全独立。对于热电材料来说，理想状态是让电荷“畅通无阻”，同时尽可能阻止热量通过。

    这就像一条道路：希望一种车辆快速通过，却希望另一种交通流受到阻碍。过去几十年，科学家尝试通过改变材料成分、引入纳米结构、调整缺陷和晶格结构等方式解决这一矛盾。然而，降低热传输的同时往往也会影响电荷传输，二者之间存在复杂的相互制约。能不能把热和电的运动更加有效地分开？这是热电材料研究长期面对的重要科学问题。

2. 打破界面对称性，构建“统计界面工程”新范式

    针对这一长期存在的难题，研究团队提出了一种新的界面工程策略：将界面尺寸分布本身作为热电材料设计变量，通过主动打破多层膜沿输运方向的平移对称性，实现声子与载流子输运的协同调控。

    通俗地说，就是尝试让热和电“各走各的路”。其中一个关键概念是“声子”。在固体材料中，原子会不断振动，这些微观振动与热量传播密切相关。研究人员希望通过界面结构设计，增强对热传递过程的调控，同时尽量保持电荷传输能力。这意味着，界面不再只是两种材料之间的一条“分界线”，而可能成为主动调节材料性能的重要“旋钮”。

图 1 均匀及渐变多层结构中声子-载流子输运的机理示意图

3. 从“设计材料”走向“设计界面”

    这项研究体现了材料科学研究思路的一种变化。过去，人们更多关注“材料是什么”，例如采用什么元素、什么化学组成、怎样掺杂。如今，随着微纳制造技术不断发展，科学家越来越重视“材料怎样排列”。把不同材料制成一层层非常薄的结构，可以形成大量界面。通过调节这些界面的结构，研究人员能够进一步影响材料内部热和电的运动。这相当于从“设计一种材料”，进一步走向“设计材料之间的关系”。对于热电材料而言，这种思路具有重要意义。研究人员不再只是寻找一种性能优异的材料，而是试图通过纳米尺度的结构设计，使材料内部不同类型的能量传输更加有效地协同工作。

图 2 结构设计图与仿真计算

    研究团队以 Bi₂Te₃/金属（Au、Ag、Pt）多层膜为模型体系，综合采用密度泛函理论（DFT）、机器学习分子动力学（MLIP-NEP）、声子波传输分析以及多种先进实验表征手段，对所提出的界面设计策略进行了系统验证。通过磁控溅射制备梯度 Bi₂Te₃/Pt 多层膜，并结合球差校正扫描透射电子显微镜（STEM）和四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）进行表征，研究团队证实了梯度界面结构的形成以及原子尺度锐利界面的实现。

    热输运测试进一步表明，与相应的均匀多层结构相比，梯度界面设计在 Bi₂Te₃/Au、Bi₂Te₃/Ag 和 Bi₂Te₃/Pt 三类体系中均实现了约30%–40% 的跨平面热导率进一步降低。其中，Bi₂Te₃/Pt 梯度多层膜实现了 0.22 W·m⁻¹·K⁻¹ 的超低跨平面热导率，处于室温 Bi₂Te₃ 基材料已报道的极低水平，并实现了室温跨平面热电优值 ZT = 1.51。与此同时，该材料在面内方向实现了高达 176.2 μW·cm⁻¹·K⁻² 的功率因子，面内 ZT 相较于同成分均匀多层结构提高 122%。

图 3 BT/Pt多层膜的界面表征

这些结果表明，通过界面空间分布设计，可以在不同输运方向上分别调控声子与载流子的输运行为，从而突破传统均匀周期多层膜中热输运与电输运难从“周期超晶格”走向“统计界面工程”

    该研究的重要意义不仅在于获得了更低的热导率和更高的热电性能，更在于提出了一种新的材料设计思想：界面不再只是材料之间的分隔边界，而可以成为主动调控热与电荷输运的核心设计变量。这一设计理念具有较强的普适性，有望进一步推广至其他多层膜、超晶格及异质结材料体系，为调控热输运、电子输运以及声子–载流子耦合提供新的材料工程路径。

4. 从纳米界面走向热电芯片

    值得关注的是，这项研究并不是一个孤立的材料研究。长期以来，胡志宇教授团队围绕微纳尺度热传输、热电材料、微纳热电器件以及芯片级热电技术开展研究，探索如何把材料层面的性能优势进一步转化为器件和系统层面的实际能力。

图 4 薄膜的各向异性热电性质

图 5 基于多层结构（MLs）的垂直型固态器件与平面柔性器件

    在材料层面取得突破的基础上，研究团队进一步制备了垂直结构固态热电器件和平面结构柔性热电器件，验证了该界面工程策略从材料设计、结构构筑到器件应用的完整技术链条。相关结果显示，该策略不仅适用于基础热电材料性能优化，也为面向不同热流方向的器件结构设计提供了新的自由度，在片上能源采集、微型热电器件、可穿戴自供电电子以及固态制冷等领域具有潜在应用价值。

5. 为物联网等新应用提供能源想象

    这一方向的应用前景值得关注。随着物联网快速发展，未来可能存在大量分布式传感器。这些设备需要长期工作，但如果依靠传统电池，就会面临更换困难、维护成本高等问题。

    而环境中的温差无处不在。工业设备运行产生的热量、人体与环境之间的温差、电子设备工作时产生的热量，都可能成为微型能源的来源。如果能够将这些微小温差转化为稳定的电能，就有可能为传感器、可穿戴设备和其他低功耗电子设备提供新的供能方式。从这个意义上说，热电技术的未来并不只是“大规模余热发电”，还可能进入越来越小的电子设备，成为未来微型能源系统的一部分。

6. 从一个纳米界面看到未来

    一项基础研究，有时从一个非常微小的问题开始。此次研究关注的，就是材料内部一个纳米尺度的界面：界面结构发生变化后，热和电的运动会发生怎样的变化？这个问题看似微小，却连接着一条完整的科技链条：从原子和界面，到纳米材料；从纳米材料，到热电薄膜；从薄膜，到微纳器件；再从器件走向能源和传感系统。这也体现了现代科技创新的一个重要特点——在微观尺度发现规律，在工程尺度创造价值。

    从一条纳米界面，到一枚热电芯片；从材料内部的微观运动，到现实世界中的能源利用——看似微小的结构创新，有望打开热能利用的新空间。

这项研究的深层意义在于确立了新范式：界面的空间分布，而非仅仅是材料成分，决定了热-电输运行为。当秩序成为束缚，恰到好处的"不对称"，也许正是通往高效的钥匙。未来我们能够像设计电子芯片一样，真正开始设计“热芯片”。

    该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科学技术委员会战略前沿专项基金、中国（上海）自由贸易试验区临港新片区“拨改投”专项项目、北京市自然科学基金、上海交通大学张江高等研究院、上海浦东思源前沿交叉研究院、清华大学自主科研计划、上海芯擎宇能科技有限公司等的资助和支持；实验测试得到上海交通大学先进电子材料与器件中心、上海交通大学分析测试中心以及清华大学高性能计算中心“探索1000”集群的支持。

论文题目： Regulating phonon–carrier transport by interfacial symmetry breaking in thermoelectric multilayers

期刊： Science Advances

论文引用：Yao Z, Liu B, et al. Science Advances, 2026, 12(34): eadh5460.

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh5460