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热电材料能够实现热能和电能之间的相互转换。利用这类材料，可以进行无制冷剂制冷及废热回收发电，在节约能源及保护环境方面有着重大的意义。一种材料的热电转换能力可由一无量纲值ZT来表征。ZT越高，热电材料性能越好。虽然理论上ZT值不存在上限，但几十年来已知的绝大多数材料ZT值均小于1。寻找高ZT值的热电材料，以及从理论与材料两方面研究对于ZT值的制约因素，为当前热电材料研究的主题。
过渡金属铼(Re)的硅化物ReSi1.75为一窄能隙半导体(0.12-0.36eV)，可外延生长于硅单晶表面，可以用于红外线探测。理论预测由于该硅化物具有高的迁移率，因此应该是一种有希望的热电材料。然而到目前为止，实验上却始终无法验证这一点。由于ZT值的构成要素Seebeck系数S、电阻率ρ、热导率λ等都是一些非常基本的物理参数，因此对此最有可能的解释有两种：即现有理论框架存在问题，或现有材料体系制备开发存在问题。对任何一方面提出合理的新见解，对于提高ZT值、发掘并制备优秀的热电材料，具有直接的指导性意义。
针对ReSi1.75的热电性能(高ZT值)，理论上良好的预期值与实际材料低性能的反差这一关键科学问题，本文采用单晶体系的ReSi1.75材料进行了基础研究。由于ReSi1.75的晶体结构至今尚不确定，本研究运用TEM、HREM、HAADF-STEM等方法研究了ReSi1.75的晶体结构，并直接观察到了ReSi1.75中硅空位的分布。研究结果表明，ReSi1.75属于单斜晶系，空间群为C2/m(mc44)，单胞内有44个原子，其中铼原子16个，硅原子28个，硅空位在晶格中有序排列。
在弄清ReSi1.75晶体结构的基础上，本论文研究了ReSi1.75单晶沿[100]以及[001]位向的热电性能，发现其性能高度各向异性。其中，在同一成分下，沿[100]方向的传导机制为p型，而沿[001]方向的传导机制为n型。该现象在半导体，甚至在凝聚态物理领域里鲜有报道。本研究以双载流子导电为基础，合理建模，运用固体物理载流子输运的相关知识，阐明了该“传导取向逆转性”现象(本研究将之命名为OCSR)的机理，即某种载流子(电子或空穴)有效质量的高度各向异性，造成电子与空穴迁移率之比的各向异性，最终导致了OCSR现象的产生。本研究在ReSi1.75单晶中发现，其ZT值沿[001]方向800℃时可达0.6，说明ReSi1.75为一优秀的热电材料。ReSi1.75中之前之所以无法获得理论上所预测的高ZT值，原因在于掩藏在其多晶形式背后的OCSR现象，造成相邻晶粒间Seebeck系数的互相抵消。
进而，本研究指出辨别一种热电材料是否具有该特性的重要意义。由于目前所制备的热电材料大多为多晶状态，其中晶粒杂乱分布，一旦该材料具有OCSR的特性，势必造成其内部Seebeck系数正负各晶粒间性能互相抵消，影响最终的热电性能。结果是实验数据分散，甚至可能错失具有优异热电性能的材料。基于上述研究成果，本研究进一步提出了筛选、预判具有该特性材料的可行方法，即通过能级图(色散关系)上能隙附近曲线走向进行判断。这些结论可以直接用来指导具有OCSR特征材料的判别过程，进而研究这类材料的单晶形式，以开发和确立其中具有高ZT值的材料。
在研究了ReSi1.75的晶体结构与热电性能的基础上，本研究通过掺杂锗、钼等元素分别置换ReSi1.75中的硅与铼元素，肯定了OCSR现象可出现于固溶体中，并进一步提高了该材料的热电性能。其中，ReGe0.02Si1.73单晶的ZT值800℃时沿[001]方向高达0.8，为目前广泛应用的高温热电材料β-FeSi2的4倍，高出Si-Ge合金25﹪。