无机功能材料的研究以及应用推动了科技的发展进步,然而大多数材料的本征特性并不足以满足实际产业应用和需求,故而在开发相对有效的无机功能材料同时需要通过人工有针对性的调节改善材料性能以满足实际应用需求。在无机功能材料领域,结构调控是最常用于提高材料性能的手段之一,为了能够更加高效实现结构调控的组合利用,必须充分理解各种结构调控手段影响材料电学/热学输运特性的机制。另一方面目前大多数研究工作中往往只强调了某单一结构调控手段的有效性并对其机制进行相关研究,而在同一材料体系中不同结构调控手段组合利用的方法由于其调控机制相对复杂而鲜有报道。本论文工作中,作者从材料体系的电学/热学特性角度把握材料的物化特性的潜在影响因素,以结构调控作为应用手段,对材料电学/热学特性进行调控。此外,在理解材料本征特性以及结构调控方法(掺杂、填充、复合等)对材料体系中电学/热学影响机制的前提下,将各项调控方法有效地组合在一起协同改变材料整体的电学/热学特性并实现材料性能的进一步优化。基于结构调控机制和方法相关的理论研究,作者通过实验论证了材料体系中结构调控方法组合利用的可行性以及有效性,拓宽了材料电学/热学输运特性调控方法的应用空间。本论文主要内容包括以及几个方面:1、本章工作中,作者制备了一种由NbS2和PbS层交错堆垛并通过范德华力结合在一起的超晶格材料PbNbS3,并将其作为锂离子电池负极材料进行研究并展现出较高的性能。NbS2是一种层状结构材料,体积模量大结构稳定,具备较高的电导率,但作为锂离子电池负极材料而言容量较低。半导体PbS具有天然的电容特性,然而作为锂离子电池负极而言,它的导电性差,且在与锂结合时容易导致结构软化最终造成电极粉碎。作者通过制备PbS和NbS2层堆垛形成的超晶格材料PbNbS3同时具备了NbS2的高电导率、结构稳定性以及PbS的高容量特性。PbNbS3作为锂离子电池负极材料在100 mA g-1的电流密度下具有710 mAh g-1的比容量(分别为NbS2和PbS 比容量的1.6和3.9倍),容量保持率约为96%。本工作为锂离子电池负极材料提供一种材料设计结构模型,可以充分利用不同材料的性能优势,将其组合在一起,协同保持结构稳定并提高容量,在此基础上还保证高的充放电效率,这项工作为设计锂离子电池新型负极材料提供了有效的新思路。2、本章中,作者选取本征低热导的AgSbTe2作为热电材料的研究对象,通过Mn掺杂取代Sb的方式,提高了材料体系中的载流子浓度进而提高电导率,与此同时Mn掺杂增强了材料晶格结构的非简谐性,降低了晶格热导率,实验结果表明7mol%Mn掺杂样品,ZT值在550 K时达到约0.62,与原始对应物相比高出29%。此外,由于材料随着Mn掺杂比例提高,电导率大幅提升,当Mn掺杂比例大于5%时,载流子热导占总热导比例50%以上,大幅限制了热电材料性能的进一步优化。作者通过反向掺杂的方式,利用Mn掺杂取代Ag引入电子对材料体系中过于高的空穴载流子浓度进行补偿,同时通过在材料体系中引入更多的Mn杂质原子进一步增强晶格散射作用,降低晶格热导率,最终使得AgSbTe2材料体系的热电性能得到进一步优化。5%mol MnAg-MnSb共掺杂AgSbTe2样品的ZT值在550 K时达到最大值约0.74,比原始样品高出54%,相比于5%Mnsb单掺杂样品ZT值高出35%。该项工作阐明了双向掺杂可以重新调制电导率和塞贝克系数以实现更高的功率因子并进一步降低总热导率以实现更好的ZT性能。3、在上一章节中,选择了本征热导率较低的Ⅰ-Ⅴ-(Ⅵ)2系列中的AgSbTe2作为热电材料的研究对象,其中载流子贡献热导占比在20%左右,随着掺杂调控电导率提升,载流子热导也大幅提升限制了热电性能的进一步优化。为此,同样为了保持相对低本征热导率的同时尽量拓宽电导率的调控空间,选择同系列的样品CuSbS2作为研究对象,在300-650 K之间CuSbS2载流子热导不足总热导的千分之一,几乎可以忽略不计。基于此条件,通过Ga掺杂取代Sb引入杂质能级提高材料整体的电导率,与此同时Ga取代Sb也会增强材料晶格结构的非简谐性,降低晶格热导率。在650 K时4%mol GaSb掺杂样品在保持相对较高的Seebeck系数的情况下,电导率相比于纯样提高了约263%,热导率降低了约24%。此外,基于CuSbS2特殊的层状结构,还通过利用4%mol Ga原子填充进入材料体系的方式,更加有效的降低热导率,在650 K时,热导率相比纯样下降约46%。Ga掺杂取代Sb可以更加有效的优化功率因子(PF),Ga填充能够更加有效的降低热导率。最终通过将Ga掺杂以及填充组合的方式CuSb0.98Ga0.04S2,进一步优化了材料ZT值,在650K时ZT值比于纯样提高了约4倍,本章工作在上一章的基础上,避免了载流子热导过高的限制,选择了新的热电材料体系并通过结合两种不同结构调控方法的优势,更进一步优化热电性能。