近年来工业蓬勃的发展，能源需求日益增多。为了使能源得到充分的回收与利用，科学家致力于发展高效能绿能材料。而热电材料可直接将逸散的热能转换成电能，且同时具有寿命长、高稳定性、体积小等优势，对于废热回收 (waste heat recovery) 具有广泛的应用性，一般使用热电优值 (zT, figure-of-merit) 来定量其热能与电能之间的转换效率。
锗碲合金 (GeTe) 为近年来相当热门的中温型热电材料，同时也是一个相变材料 (phase change material)，其晶体结构会随着温度变化产生转变，在β-GeTe高温相 (cubic phase) 时具有相当高的转换效率。本研究 以锗碲合金 (GeTe) 为基础，微量的添加锑 (Sb) 元素，并调控热处理之条件，使合金内部产生连锁的相变反应，进而得到具有极高热-电转换效率的GeSbTe (GST) 热电合金，在中温区间其zT峰值可以达到2.69 (图1)，为未掺杂GeTe (zT~0.8)的三倍之多！本研究除了开发出极具优势的GST合金，更针对其理论机制进行一系列深入的探讨，期能为热电领域带来另一个春天。
图1. 热电优值 (zT) 随温度变化关系图与y = 0.05 合金相变机制示意图
相变行为于热电材料之应用层面实则有利有弊，而GST合金可谓得天独厚，其连锁的相变反应，反致使其达到近年来所报导的zT新高。由高温至低温，GST所经历之连锁相变反应可分为两个阶段: (1) 高温区之亚稳态相分离 (spinodal decomposition)，使得Ge与Sb阳离子具有上坡扩散效应 (uphill diffusion)，使材料产生巨量的组成不均匀性 (compositional fluctuation)；(2) 随着温度降低，GST合金进入无扩散相变区 (athermal diffusionless transformation)，进而“锁住”高温所产生的组成不均匀。在此连锁反应过程中，Ge、Te、Sb原子并不会有长程 (Long-range) 的扩散行为，只有改变其晶体结构，导致α-GeTe低温相与β-GeTe高温相在室温下依然能够共存，但其Sb含量有显著差异，故产生的稳定却不均匀的微结构 (图2b-d)，这也解释了GST合金所具有的极低的晶格热传导系数，也提升了其zT值。此连锁相变反应的机制图如图2f所示。
图2. (a) 773 K, (b) 723 K, (c) 673 K, (d) 623 K 下y = 0.05 合金之元素面分析结果; (e) GeTe-Sb2 Te3 成分比例与热处理温度的关系图; (f) 为相变机制与Sb成分分布的示意图
对热电材料而言，其相组成、相分布、微结构、缺陷分布等等，对其热电性质皆有很重要的影响。本研究结合热力学方法，链接不同微结构及热电性质之间的关系，提出新颖、稳定、可信且再现度高之方法，以解密GST高转换效率之背后机制。此热力学为基底之方法论，应亦能用于优化其他热电材料，提供热电领域更多元的发展方向。