《Science》刊發(fā)北航趙立東教授成果 熱電能源材料研究取得重大突破

　　熱電轉換技術(shù)是一種利用半導體材料直接將熱能與電能進(jìn)行相互轉換的技術(shù)。隨著(zhù)環(huán)境保護形勢的日益嚴峻，研究和開(kāi)發(fā)清潔能源已成為全球科學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。其中，熱電轉換技術(shù)憑借系統體積小、可靠性高、不排放污染物質(zhì)、適用溫度范圍廣等特點(diǎn)，被重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)由于熱電轉換系統是深空探測器和航天探測器上不可取代的可靠電源，全球航天強國無(wú)不在這一領(lǐng)域全力投入，以致近年來(lái)在全球范圍內掀起了熱電能源材料的研發(fā)熱潮。

　　熱電轉換效率是衡量熱電材料性能的關(guān)鍵指標，它主要取決于材料的性能優(yōu)值ZT。從定義可見(jiàn)在一定的溫度T下，具有更大的溫差電動(dòng)勢S (產(chǎn)生大電壓)，更優(yōu)異的電導率和更低的熱導率的熱電能源材料，其熱電轉換效率更高、性能更佳。但由于這幾個(gè)熱電參數之間存在復雜的互動(dòng)關(guān)系，使得實(shí)現高熱電優(yōu)值ZT 成為一個(gè)巨大的挑戰。同時(shí)從熱電材料研究和應用的大趨勢來(lái)看，還需要兼顧資源儲量和環(huán)境兼容性。所以，即便以目前最好的中溫區熱電材料碲化鉛 (PbTe) 來(lái)說(shuō)，從資源儲量碲 (Te) 和環(huán)境兼容性鉛 (Pb) 等因素考慮，碲化鉛體系也不具有很強的生命力。所以，研發(fā)一種理想的熱電能源材料，使之同時(shí)具備性能優(yōu)異、儲量豐富且環(huán)境友好等條件要素，成為長(cháng)期困擾熱電研究學(xué)者的難題。

　　趙立東教授在美國西北大學(xué)從事博士后研究期間，開(kāi)發(fā)了頗具潛力的硒化錫熱電材料。根據長(cháng)期經(jīng)驗總結的一套篩選熱電材料的方法，對候選材料進(jìn)行了大規模篩選和對比研究。期間他發(fā)現硒化錫除了儲量豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)外，還具有比碲化鉛更低的熱導率，而這恰好滿(mǎn)足了熱電材料的低熱傳導要求。趙立東意識到這是一種非常有潛力的優(yōu)秀熱電能源材料，但是受制于其較弱的導電性能，導致硒化錫長(cháng)期被熱電領(lǐng)域所忽視。

　　怎么樣才能改善硒化錫的導電性能？考慮到硒化錫的層狀晶體結構，趙立東大膽地猜想在其層面內可能具有不錯的導電性能 (電導率主要由載流子遷移率和載流子濃度兩個(gè)因素決定)，并開(kāi)始嘗試制備硒化錫單晶。研究結果恰好符合了預期，進(jìn)一步的研究發(fā)現硒化錫單晶的載流子遷移率是硒化錫多晶的5倍。通過(guò)制備硒化錫單晶，在b軸和c軸方向上均能獲得ZT的高性能優(yōu)值 (Zhao et al. Nature 508 (2014) 373)。趙立東的這一發(fā)現迅速在國際學(xué)術(shù)界引起了廣泛關(guān)注，并很快被西班牙馬德里材料科學(xué)研究所和美國橡樹(shù)嶺國家實(shí)驗室的學(xué)者通過(guò)實(shí)驗分別證實(shí)。

　　初戰告捷的趙立東并未就此止步。盡管前期初步研究結果表明硒化錫是一種很有發(fā)展潛力的塊體熱電材料，但還存在另一關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決：他發(fā)現硒化錫材料在300-773K溫度范圍內ZT值很低，這一點(diǎn)嚴重限制了硒化錫在300-773K這一重要溫度區間的使用。這時(shí)，趙立東已入選國家“青年千人計劃”，并回國成為北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院的教授，并擔任北航國際交叉科學(xué)研究院熱電能源材料研究室主任。近年來(lái)，北航為落實(shí)人才強校戰略，大力推進(jìn)機制創(chuàng )新，專(zhuān)門(mén)設立了“國際交叉科學(xué)研究院”人才特區，實(shí)行國際化聘任和評價(jià)機制，為每位新引進(jìn)的海外優(yōu)秀學(xué)者建立了實(shí)驗室。當趙立東教授正式入職北航工作時(shí)，學(xué)校已經(jīng)按照需求為他專(zhuān)門(mén)成立并建好了熱電能源材料研究實(shí)驗室，讓他在科研工作無(wú)縫銜接的同時(shí)，感受到學(xué)校無(wú)微不至的關(guān)懷和巨大支持。

   在北航的深入研究期間，趙立東教授經(jīng)過(guò)持續的深入思考和無(wú)數次反復推導，基本確定整體提高硒化錫的熱電優(yōu)值ZT的思路，只能是提高硒化錫的導電性和溫差電動(dòng)勢，以求獲得300-773K溫度范圍內較高的電傳輸性能。他敏銳地認識到，利用能帶結構是調控熱電材料的導電性和溫差電動(dòng)勢的有效方法 (Zhao et al. Energy Environ. Sci. 7(2014) 251, Journal of Materiomics, 1 (2015) 92)，如在碲化鉛體系中兩個(gè)價(jià)帶 (輕價(jià)帶1帶和重價(jià)帶2帶) 的距離僅相距0.15 eV, 1帶和2帶能量對齊后可使有效質(zhì)量增加，從而提高溫差電動(dòng)勢。他發(fā)現硒化錫的電子帶結構更加復雜，多個(gè)價(jià)帶的能量距離很小，如1價(jià)帶和2價(jià)帶的距離僅為 0.06 eV, 1價(jià)帶和3價(jià)帶的距離為0.13 eV, 1價(jià)帶和4價(jià)帶的距離為0.19 eV。當費米能級已經(jīng)進(jìn)入4價(jià)帶甚至接近5和6價(jià)帶，這時(shí)就可實(shí)現多個(gè)價(jià)帶同時(shí)參與電傳輸。

　　趙立東對這一現象做了一個(gè)形象的類(lèi)比：一條高速公路上有無(wú)數擁擠的車(chē)輛時(shí)，車(chē)輛行駛的會(huì )非常緩慢；但把同樣數量的車(chē)分配到6條高速公路后，車(chē)不但行駛的快而且在單位路面上通過(guò)的車(chē)量也會(huì )增多。

　　通過(guò)這一移動(dòng)費米能級的巧妙方法，不但可以保持相對較高的載流子遷移率，還使得溫差電動(dòng)勢提高了5倍，可以讓硒化錫材料在整個(gè)溫度區間的熱電優(yōu)值ZT得到大幅提升——在300-773K溫度區間的ZT值從0.1-0.9提高到 0.7-2.0。如果選取300K和773K分別為低溫端和高溫端，硒化錫作為熱電器件的p型材料搭配同樣性能的n型材料，可以產(chǎn)生16.7 %的理論發(fā)電效率。這個(gè)結果意味著(zhù)開(kāi)發(fā)一種同時(shí)具備性能優(yōu)異、儲量豐富而且環(huán)境友好的熱電能源材料已成為可能。

　　趙立東也為這一研究成果感到十分振奮。他以最快的速度將相關(guān)研究過(guò)程和數據撰寫(xiě)成文投給了《Science》雜志并很快被接收發(fā)表。趙立東教授出生于1979年，系北京航空航天大學(xué)“卓越百人計劃”和中組部第六批“青年千人計劃”入選者。主要從事熱電能源材料、超導材料和低熱傳導氧化物材料的研究。先后獲得遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)士、碩士和北京科技大學(xué)博士學(xué)位。2009至2011年，在法國巴黎十一大學(xué)物理系從事博士后研究；2011至2014年，在美國西北大學(xué)化學(xué)系從事博士后研究。迄今已在《Science》《Nature》《Nature Commun.》等國際著(zhù)名期刊上發(fā)表SCI論文80余篇、被引用2200多次，授權和申請美國專(zhuān)利3項，中國專(zhuān)利8項。

　　北京航空航天大學(xué)為該工作的第一完成單位（第一作者和通訊作者），合作單位包括美國西北大學(xué)、南方科技大學(xué)、美國密西根大學(xué)和美國加州理工學(xué)院。該工作獲得了中組部 “青年千人計劃”、國家自然科學(xué)基金 (51571007 ) 項目和北航 “卓越百人計劃” 的支持。

　　近年來(lái)，北航學(xué)者在《Nature》《Science》等國際頂級學(xué)術(shù)期刊上均有高水平論文發(fā)表。學(xué)校堅持瞄準國際學(xué)術(shù)前沿、圍繞國家戰略需求，加大空天信融合特色的世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設力度，共有工程學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)、計算機科學(xué)、化學(xué)五個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的ESI排名進(jìn)入全球前1%。尤其在工程、材料等學(xué)科中形成了多個(gè)等世界一流學(xué)科方向，取得令人矚目的科技創(chuàng )新重大突破。特別是近10年獲得9項國家級科技獎勵一等獎、3項國家自然科學(xué)二等獎，創(chuàng )造了一所大學(xué)連續獲國家最高等級科技獎勵的“奇跡”，被社會(huì )譽(yù)為科技創(chuàng )新的“北航模式”。