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导语:热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料,在改善环境污染和能源问题方面具有广阔前景。继2014年4月在《Nature》指出硒化锡晶体具有潜在的优异热电性能之后,北航材料科学与工程学院和国际交叉科学研究院赵立东教授于2015年11月26日又在世界顶级期刊《Science》在线发表了热电能源材料硒化锡在应用方面的最新研究成果,从而使对于硒化锡的研究在新能源的实际应用领域迈出了关键一步。今天,让我们对话赵立东教授,走近热电材料发展的新领域。

 

温差发电和热电制冷模型
灵感:基于大胆的科研实践

  能量既不会凭空产生,也不会凭空消失,这既是一个客观规律,也是一种潜在的物理现象。因而,在能量守恒的基本前提下,更好地实现能量的资源配置是一个值得深入探索的问题,热电材料就是这个巨大问题大厦中的一道出口,一扇门。热电材料,顾名思义,是指可以实现热能与电能之间双向转换的材料。赵老师为我们举例了热电材料在生活中的应用实例,比如,保温杯中的水由热到凉产生的多余热量,可以通过热电材料有效地转化成电能为手机充电,与之相对的逆过程,通过电流产生温差来制冷可以为笔记本等电子设备散热等等。

 

硒化锡SnSe单晶

  传统热电材料的研究根据针对的温区不同,主要集中在碲化铋(Bi2Te3)、碲化铅(PbTe)、以及硅化锗(SiGe)三种材料,而这三种材料存在储量有限、成本较高、污染环境等缺点。因此,能源材料研究领域亟需一种成本低廉、环境友好、热电性能优异的新型热电材料。赵立东教授的研究,正是致力于这一方向。走近赵立东教授的办公室,门上便贴着一张元素周期表,“硒化锡的研究来自元素类比,一个好的想法,idea很重要,克服困难的勇气也很重要” ,赵立东教授如是说。如果类比探究同族元素,从表面上其实很容易联想到锡(Sn)和硒(Se),但由于硒化锡材料具有较大的电阻,与热电材料高电导的要求相背离,因此,硒化锡材料长期被热电材料领域所忽视。
 

硒化锡SnSe的声子和电子传输示意图

  赵立东教授的团队在对候选材料进行了大规模筛选和对比研究中,一次偶然的机会,发现硒化锡在中温区具有比碲化铅更低的热导率,这恰好满足了热电材料低热传导的要求。同时注意到硒化锡具有非常复杂的电子能带结构,通过移动费米能级进入多个能带谷可获得较大的有效质量和温差电动势。与此同时,硒化锡在自然界中有着丰富的储量,且是一种环境友好材料,这些因素让赵立东教授意识到他们发现了一种非常有潜力的优秀热电能源材料。经过一系列的实验探究,克服了重重困难,团队使得硒化锡材料在300-773K宽温区的热电优值 (ZT) 得到了大幅提高,硒化锡在热电材料研究领域开始受到广泛关注。

 

交叉:源自宽广的学科视野

  当你第一次看到热电材料这则新闻,可能会联想到材料、物理、化学等等学科,感觉这个研究领域似乎涉及到一个庞大的知识体系。事实也的确如此,在热电材料的研究过程中不仅需要具备材料领域的知识,在优化热电材料性能优值 (ZT) 的过程中还需要扎实的物理和化学知识。赵立东教授的学习经历无疑为他在此领域获得的进展提供了坚实的基础,他本科和硕士阶段读的是金属材料专业,博士阶段转为无机非金属材料专业,博士后先后就读于法国巴黎第十一大学物理系及美国西北大学化学系。“广泛的学科基础,是做好科学研究的有利条件,”赵立东教授认为,现今大学生应该在专研所学科目的基础上,广泛涉猎相关学科的知识,拓宽科研视野,“珍惜每一次聆听学术报告的机会,每次学术报告都是老师们对多年研究的高度总结,是获取更前沿更有效知识的捷径。”同时,赵老师鼓励学生与老师之间多提问、多交流。他说,“每次讲课结束,都希望大家多提问题,提问是思考的反映,是相互学习的过程,我希望更多的同学将注意力放在学习上,多问为什么。” 他建议同学们每天都要关注学术期刊上发表的最新论文,掌握最前沿的科研快讯,对于求知的执着,赵老师通过言传身教给同学们上了最好的一课。

 

赵教授为我们讲解研究成果
共融:来自高效的师生合作

  赵立东教授是中组部第六批“青年千人计划”入选者,同时作为北航2014年引进的“卓越百人计划”归国的教授,刚刚一年多的时间,赵教授就已经组织培养了一支十几个人组成的科研团队。他的学生告诉我们,初进实验室的时候,赵老师亲自带着他们做实验,每个环节都悉心指导,对学生的要求也比较严格,课题组以任务制度推进,每周汇报一次,让学生在相对灵活的时间内严格完成任务,大大地提高了科研效率,获得学生们的一致爱戴。我们期待这样高效的课题组会带给我们更多的突破和发现。

 

人民日报》版面截选
合作:造就突出的成果应用

  在北航为落实人才强校战略,大力推进机制创新的机遇时期,学校专门设立了“国际交叉科学研究院”人才特区。在赵立东教授正式入职学校之前,学校已经按其需求为他专门成立并建设了热电能源材料研究实验室,让他在科研工作无缝衔接的同时,感受学校无微不至的关怀和巨大支持。赵老师特别提到,“好的科研工作离不开团队的合作和学校的大力支持,权威的检测及数据的支持是一种材料进军热电领域的有力支撑”。
  自热电能源材料硒化锡这一重大研究成果在《Science》在线发表以来,《人民日报》、工信部、国家自然基金委、《中国青年报》、《中国教育报》、《科技日报》、《中国科学报》头版、新华网等多家国内权威媒体和机构分别对此进行了报道。国外的PhysicsToday, ScienceDaily, PubFacts, EurekAlert, Phys.org等多家媒体也对此进行了转载和报道。科研永无止步,赵老师谈及对硒化锡研究的展望时指出,这项研究还有很多工作要做。他的梦想就是能将自己研究的热电材料应用在国家的重大需求上,报效祖国,实现人生价值。
 


策划:管佳明 文稿:管佳明 颜寒祺 李晨 设计:张君奕
素材:北航新闻网 
编审:门户网站总编总监工作室
鸣谢:北航国际交叉科学研究院 赵立东教授
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