热电材料能够实现热能与电能之间的直接相互转换，在工业余热回收、深空探测供能、芯片热管理、光通信温控、生物医疗和固态制冷等领域具有重要应用前景。作为一种无运动部件、可靠性高、寿命长的固态能量转换技术，热电材料为可持续能源利用和精准温度控制提供了重要解决方案。
热电材料的转换效率通常由无量纲热电优值zT = S²σT/κ决定，其中S为Seebeck 系数，σ为电导率，κ为总热导率。理想热电材料需要同时具有高功率因子（PF = S²σ）和低热导率。然而，热电输运参数之间存在强耦合关系：增强载流子浓度往往会降低Seebeck系数；引入缺陷降低晶格热导率（κL）时，又常常会同时增强载流子散射、降低迁移率（μ）。因此，如何在有效散射声子的同时尽量保持甚至提升电子输运能力，是热电材料长期面临的核心科学问题。
过去数十年来，缺陷工程是提升热电性能最重要的策略之一。研究人员通过引入替位原子、空位、间隙原子、反位缺陷、位错、纳米析出相和晶界等多尺度缺陷结构，显著增强声子散射并降低κL，使多个典型热电体系的zT获得大幅提升。然而，传统缺陷工程往往以“增加无序”为主要思路：随机分布的缺陷虽然可以散射声子，但也会破坏晶格周期势场，增强合金散射、离化杂质散射和局域应变场散射，从而降低载流子迁移率。随着许多高性能热电材料的κL已逐渐接近理论下限，继续单纯依赖“更多无序”来降低热导率的收益正在减弱，而其对电输运的负面影响却愈发突出。
在此背景下，一个新的问题变得尤为关键：热电材料中的缺陷是否只能以随机无序的形式存在？能否通过调控缺陷的空间排列方式，使其从无差别散射中心转变为选择性功能结构单元？如果能够将随机分布的点缺陷调控为有序或准有序结构，就有可能在保持电子输运通道相对连续的同时，针对性散射主导热输运的声子，从而突破κL–耦合瓶颈。这一从“制造无序”到“设计有序”的思路，正在成为下一代高性能热电材料设计的重要方向。
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、武海军教授团队，在国际材料学期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表题为《点缺陷工程热电材料：从无序到有序》（“Point Defect Engineering Thermoelectrics: From Disorder to Order”）的综述论文。该综述系统总结了热电材料中点缺陷工程的发展脉络，提出将晶体缺陷由无序分布调控为有序结构作为突破热电输运耦合瓶颈的重要设计原则。
该综述指出，传统热电缺陷工程的核心通常是通过增加随机缺陷浓度来增强声子散射，但这种“无序中心式”设计不可避免地带来载流子迁移率下降。与之不同，缺陷有序化设计更关注缺陷的空间排列方式。当同一类型、相近浓度的缺陷从随机分布转变为有序或准有序构型时，其对声子和电子的作用方式会发生本质变化：一方面，有序缺陷结构能够引入新的周期性或准周期性，重构声子色散、降低声子群速度，并有效散射传统点缺陷难以作用的中频声子；另一方面，有序结构可部分恢复载流子所感受到的周期势场，使类Bloch输运重新出现，从而减轻对电子迁移率的损害。
围绕这一核心思想，文章系统梳理了替位原子、空位、间隙原子和反位缺陷等主要点缺陷家族的有序化路径。在替位缺陷体系中，等尺寸合金化和对称性增强可在降低κL的同时降低对μ的损伤；在空位体系中，随机空位可演化为空位层、空位诱导位错网络，或通过定向填充实现晶格平面化，从而恢复晶格周期性并改善载流子输运；在间隙原子体系中，过量小半径原子可以形成有序间隙链、团簇和爬移位错，实现载流子浓度、有效质量与声子散射的协同调控；在反位缺陷体系中，反位原子可作为扩展缺陷的结构前驱体，诱导堆垛层错和位错网络形成。
该综述进一步将“点缺陷从无序到有序”的设计理念拓展至热电材料的力学可靠性调控。文章指出，有序点缺陷结构不仅可以优化电输运和热输运，还能够作为强化单元提升材料的机械强度和服役稳定性。例如，孪晶界处有序间隙原子、空位诱导位错网络等结构，可在散射声子的同时钉扎位错、阻碍裂纹扩展，并维持较为连续的载流子输运路径。这意味着缺陷不再只是降低热导率的散射中心，而可以成为连接电、热、力多物理性能的功能结构单元。
图1 点缺陷工程从无序到有序的设计框架。传统点缺陷工程主要依赖随机缺陷增强声子散射，但容易同时损害电子输运。有序点缺陷结构则通过调控缺陷空间分布，使替位原子、空位、间隙原子和反位缺陷演化为有序或准有序结构单元，从而实现对电子、声子和力学行为的选择性调控。
该综述提出“从无序到有序”的点缺陷工程统一框架，系统梳理多类点缺陷有序化路径，揭示跨材料体系的共性机制，并将缺陷工程从电—热输运优化拓展至电—热—力多维协同设计。
该综述将热电材料中的替位原子、空位、间隙原子和反位缺陷统一纳入“无序—有序”演化框架，明确指出热电性能提升的关键不应只是引入更多缺陷或增强随机无序，而在于调控缺陷的空间构型。传统点缺陷工程主要依赖随机缺陷增强声子散射，但往往伴随载流子迁移率下降；而有序或准有序缺陷结构能够在维持相对连续电子输运通道的同时，更有效地散射主导热输运的声子。该观点将点缺陷从被动的“结构扰动源”重新定义为可设计、可调控、可功能化的结构单元，为突破晶格热导率与载流子迁移率之间的耦合瓶颈提供了新的物理图像。
该综述围绕替位缺陷、空位缺陷、间隙缺陷和反位缺陷等典型点缺陷类型，系统总结了从随机无序到有序结构的多种实现路径。在替位缺陷体系中，等尺寸合金化和对称性增强可在降低晶格热导率的同时减小对载流子迁移率的损害；在空位体系中，随机空位可演化为空位层、空位诱导位错网络，或通过定向填充实现晶格平面化，从而恢复晶格周期性并改善载流子输运；在间隙原子体系中，小半径原子可形成有序间隙链、团簇和爬移位错，实现载流子浓度、有效质量和声子散射的协同调控；在反位缺陷体系中，反位原子可作为扩展缺陷的结构前驱体，诱导堆垛层错和位错网络形成。这些案例共同表明，缺陷有序化并非局限于某一材料体系，而是具有普适意义的热电材料设计规律。
该综述进一步指出，下一代热电材料不仅需要高zT和高功率输出，还必须具备良好的机械强度、加工稳定性和服役可靠性。有序点缺陷结构不仅能够调控电子和声子输运，还可以作为力学强化单元提升材料强度和稳定性。例如，孪晶界处的有序间隙原子、空位诱导位错网络等结构，可在散射声子的同时钉扎位错、阻碍裂纹扩展，并维持较为连续的载流子输运路径。由此，点缺陷工程不再只是降低热导率的手段，而是连接热电性能与力学可靠性的关键结构平台，为高性能、强韧化、可服役热电材料的设计提供了新的发展方向。
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，张杨和杨宇轩为论文共同第一作者，武海军教授和张仪华博士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。
