當前世界上70%以上的能量以廢熱的形式被直接排放，在造成能源浪費的同時，也給自然環(huán)境帶來嚴重破壞。熱電材料可以實現(xiàn)熱能和電能之間的相互轉換。開發(fā)**、環(huán)保的新型熱電材料是當今能源材料研究領域的熱點方向之一，在合理利用廢熱、解決能源危機、提高社會經濟效益等方面具有巨大社會意義及實際應用前景。為獲取高轉化效率的熱電材料，在提高材料熱電勢與電導率的同時，需要降低其熱導率。然而，對于同一種材料而言，由于這三個熱電參數之間是相互關聯(lián)而非完全獨立的，很難將其同時優(yōu)化，這成為限制熱電材料與傳統(tǒng)能源相競爭的主要瓶頸。此外，傳統(tǒng)熱電材料多含有毒的重金屬或昂貴的稀有元素，實際應用成本較高。因此，設計和制備具有高熱電轉化效率、無毒、廉價、輕質的熱電材料成為當前材料科學研究的熱點問題之一。

黑磷作為一種性能比肩“石墨烯”的新型二維半導體引起了材料領域的廣泛研究興趣。相對于缺乏本征帶隙的石墨烯，黑磷具有隨層數可調的較寬帶隙范圍（0.3-2.0 eV），兼具較高的遷移率和強大的機械柔韌性。黑磷具有正交型層狀結構，同一層內的磷原子與相鄰的三個磷原子形成共價鍵，呈現(xiàn)一種褶狀蜂窩結構，層與層之間原子靠相互作用較弱的范德華力作用，層面內電子和聲子都表現(xiàn)出高度的各向異性。這種特殊的結構特征使黑磷具有相對獨立的調制熱電勢、電導率和熱導率的優(yōu)勢。通過對電子能帶結構的調控可以**提升電輸運性能和熱電轉化效率。

曲阜師范大學物理工程學院劉曉兵與陳欣高壓物理與材料科學研究團隊構建了沿不同晶軸取向的黑磷納米管，揭示了其沿(1,1) 晶軸取向納米管結構的**熱電轉換效率，室溫熱電優(yōu)值相比黑磷約提高了一個數量級，從而使其成為具有高熱電優(yōu)值綠色柔性熱電材料的巨大潛力。相關結果以題為“Enhanced thermoelectric performance in black phosphorus nanotubes by band modulation through tailoring nanotube chirality”發(fā)表在Small（DOI：10.1002/smll.202001820）上。

為了充分利用黑磷層內熱電轉化效率各向異性這一獨特優(yōu)勢，該團隊探索載流子傳導的不同取向以得到熱電輸運性質，構建了沿不同晶軸 (1,0)、(0,1)、(1,1)、(1,2)、(2,1) 取向的黑磷納米管。通過**性原理計算發(fā)現(xiàn)，黑磷納米管的電子結構與晶軸取向之間存在強烈的依賴關系。令人興奮的是，研究者發(fā)現(xiàn)沿 (1,1) 晶軸取向納米管的表面電子態(tài)沿軸向分布，電子結構具有多能谷的能帶特征，這一發(fā)現(xiàn)**有利于電輸運性能的提升。該研究團隊進一步計算分析發(fā)現(xiàn)，納米管結構的載流子遷移率在室溫下可達 2430 cm²V^-1s^-1，約為黑磷烯的2.5倍，室溫熱電優(yōu)值相比黑磷約提高了一個數量級，已達到商業(yè)應用范圍。

值得說明的是，基于這一研究結果的驅動下，該研究團隊接下來開展了一系列對一維黑磷材料的實驗制備研究探索。近期，該團隊利用高溫高壓下定向生長技術，成功制備一維成功合成了性能穩(wěn)定且尺寸可調的一維黑磷-氮化硼納米管復合材料（Chin. Phys. Lett., 37, 076204, 2020）。此外，研究者相信這些**的性質與制備工藝技術同樣可以擴展到具有類似結構的黑磷基一維材料及復合材料中，從而為高性能柔性綠色熱電材料的開發(fā)設計打開了一扇窗戶。所以，這個體系還有很大潛力有待挖掘。