2021年7月8日，《科学》杂志以首发和全文研究文章的形式在线发表了北航材料学院赵立东教授研究组在电子制冷材料与器件研究方面取得的新进展:“动量和能量多波段对齐使能发电”和热电制冷”，采用动量空和能量空协同控制的多价带传输策略，实现了P型SnSe晶体性能的大幅提升；搭建了基于SnSe晶体材料的装置，不仅实现了温差发电，还实现了大温差电子制冷。通常认为kBT中能带隙为Eg的材料是一种理想的制冷材料，但这项工作表明，能带隙约为33kBT的SnSe晶体材料也具有很大的电子制冷潜力，并且具有成本低、储量丰富、重量轻的优点。
第一作者:秦炳超
导师兼通讯员:赵立东
第一单元:北航空航空航天大学材料科学与工程学院
热电转换技术是一种基于半导体材料的新能源技术。由于基于塞贝克效应的温差发电现象，受到广泛关注。而温差发电的逆效应可以实现通电制冷，却较少有人关注。电子制冷具有无噪音、无振动、无需制冷剂、体积小、重量轻等特点。，而且可靠，操作简单，制冷量调节方便。可用于空制冷量小、占地面积小的场合，如电子设备、无线电通讯设备中重要元器件的冷却。这对未来通信、5G芯片微电子器件等技术自立门户，引领精确控温前沿具有重要意义。
1.珀尔帖电子制冷示意图；半导体散热片配合散热单元，可以在开机过程中达到快速冷却的效果。
热电材料的发电和冷却效率主要由材料的无量纲热电性能决定。根据ZT值的定义，在给定的温度T下，高性能热电材料应具有大的热电电动势S、高的电导率σ和低的热导率κ。然而，这些热电参数之间存在强耦合，这使得热电材料的性能优化极具挑战性。调控这些强耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和热电转换效率的关键。随着热电材料的研究越来越受到重视，出现了许多提高ZT值的有效策略:优化载流子浓度范围以提高电导率；调整电子能带结构、晶体结构和相结构，优化电传输性能；通过引入点缺陷、位错、晶界、纳米级沉淀物等。的情况下，多尺度分层架构被设计来降低热导率。引入磁性纳米粒子、功能元素序列设计和高熵设计，解耦热和电传输；探索和发展具有固有低热导率的新材料体系；通过高通量和基于基因组的计算预测潜在的热电材料。
赵立东教授研究组主要开发宽带隙高效热电材料。通过利用各向异性来解耦热传输和电传输之间的矛盾，发现SnSe的低晶格热导率是由于强烈的非共振效应[Nature 508 373-377]。利用SnSe多频段结构的特点实现电传输中的多频段协作参与[Science 351 141-144]；通过施主掺杂促进离域电子杂化[Science 360778-783]；利用多能带的相互作用效应，开发出高性价比的SnS热电材料[Science 365 1418-1424]；逐步形成了在宽带隙半导体中寻找高效热电材料的研究思路，解决了窄带半导体双极扩散导致热电性能温度范围窄的问题[Science 367 1196-1197]。最近发现通过分别优化迁移率μ [JACS 141 1141-1149]和有效质量M * [JACS 142 5901-5909]可以不断提高材料的电传输性能。本工作的研究主要集中在如何协同优化迁移率μ和有效质量m*，将高效电传输特性移至室温附近，从而实现电子制冷。
在具体研究中，通过变温同步辐射实验和理论能带结构计算，发现了SnSe材料多个价带相互作用引起的动量空和能量空之间的价带排列效应。如图2所示，动量空之间的价带排列对应着第一和第二价带的合并过程，有效提高了迁移率μ和电导率σ；能量空之间的价带对齐对应于第三价带和前两个价带的简并过程，显著增强了有效质量m*和热电电动势s，通过少量铅的固溶，进一步促进了材料动量空和能量空之间的价带对齐效应，最终显著提高了P型SnSe晶体的ZT值和热电性能，如图2所示。
图二。通过动量空和能量空之间的多价带调节，大大提高了室温附近的ZT值。
基于获得的高性能P型SnSe晶体样品，本文构建了热电器件，并对器件的热电发电和制冷性能进行了表征。如图3A所示，在约210度的温差下，基于P型SnSe晶体的热电器件可实现约4.4%的热电转换效率，相当于相同温差下碲化铋基热电器件的商业应用；如图3B所示，基于P型SnSe晶体的热电器件可以实现大约45.7度的δ T的最大冷却温差，这可以达到商用Bi2Te3器件的70%。但与Bi2Te3相比，SnSe的成本降低了~54%，重量降低了~21%。
图3。P型SnSe晶体热电器件的热电发电效率和最大冷却温差
本工作首次尝试了几对基于SnSe晶体材料的热电器件的组装和性能表征，结果表明它们可以实现显著的热电发电效率和通电冷却性能。研究表明，宽禁带SnSe晶体作为电子制冷材料具有很大的潜力。而且SnSe材料成本低、储量丰富、重量轻，具有非常重要的应用价值。
参与此项工作的有:清华大学教授课题组，武汉理工大学唐新峰教授、谭刚健教授、刘伟教授，华南科技大学何教授课题组。该工作主要得到了国家重点RD计划、国家自然科学基金基础科学中心计划、国家杰出青年科学基金、北京市杰出青年科学基金、教育部111计划、中国博士后创新人才支持计划等项目的支持。并得到上海同步辐射光源BL14B1线站和北航空航空航天大学高性能计算中心的支持。
从2015年开始
赵立东教授课题组瞄准国际学术前沿。
精耕细作与创新
连续发表了五篇科学方面的成果。
轩，我带你回去。
前四项成就
2015年11月26日，Science在线发表了北航材料学院赵立东教授空等学者在硒化锡热电材料方面取得的突破性研究成果。通过应用硒化锡独特的电子能带结构和多谷效应，可以大大提高其在300-773K的宽温度范围内的热电性能。论文题目是空穴掺杂单晶SNSE的超高功率因数和热电性能。论文的第一作者和共同作者是赵立东教授，北航是第一完成单位。
2018年5月18日，《科学》杂志再次发表了赵立东教授的热电材料研究组的更新进展:N型Snse晶体中3D电荷和2D声子输运导致高面外ZT。利用硒化亚锡层间最低的热导率，通过电子掺杂促进电子离域，实现了N型SnSe层间的电子隧穿。
论文第一作者常成，北京航空航天大学材料学院2019级博士。他现在是奥地利科学技术学院的博士后研究员。荣获2019年国际热电材料大会“金米德奖”，2019年北京市优秀毕业生，2020年奥地利莉泽·迈特纳基金。研究方向:低热导率二维层状热电材料和纳米界面调控。目前已在Science、Adv. Energy Mater等期刊发表重要论文30余篇。、JACS等。，被引用了2300多次，H因子为22。通讯作者为赵立东教授，北航为第一完成单位。
2019年9月27日，《科学》杂志以全文文章的形式在线发表了赵立东教授研究组在热电材料方面取得的新进展:“低成本SnS 0.91se0.09晶体中的高热电性能”发现并利用了硫化锡多能带随温度的演化规律，通过引入se优化了有效质量和迁移率之间的矛盾，从而在储量丰富、成本低廉、环境友好的SnS晶体材料中实现了高热电性能。
论文第一作者何，北航2021级博士，计划加入四川大学“双百人才工程”。获得2019年北京航空航天大学优秀科技创新团队奖、2020年研究生奖和十佳学术论文奖，2021年北京航空航天大学北京市优秀研究生、十佳博士生称号。主要研究方向:新型层状材料的合成与晶体生长，热电传输性能的研究与优化。目前已在Science、JACS、Adv. Energy Mater等期刊发表论文18篇。，并申请了一项国家发明专利。论文作者为赵立东教授，北航为第一完成单位。
2020年3月13日，《科学》杂志发表了赵立东教授研究组关于热电材料的研究观点:“寻求新型、高效热电”，提出了新型高效热电材料的筛选规则:大带宽、层状、低对称性晶体材料。同时，具有上述特性的半导体材料有望成为下一代高效热电材料。
为了在较宽的温度范围内获得较高的热电转换效率，可以采用具有较高平均ZT值的新型热电材料来制备单段热电臂器件，可以有效避免多段热电臂中的界面问题，提高热电器件的长期高温使用稳定性。因此，赵立东教授提出了筛选新型高效热电材料的准则:大带宽、层状、低对称性晶体材料。同时，具有上述特性的半导体材料有望成为下一代高效热电材料。一是宽带宽材料可以有效避免材料在较宽温度范围内的本征激发，ZT值可以在较宽温度范围内持续增大；其次，层状晶体材料具有高的面内透射特性。由于其固有的低载流子浓度，宽带隙半导体偏离热电材料所需的最佳载流子浓度，其热电性能往往被忽略。为了在宽带隙半导体中实现高的电传输性能，晶体材料的层状结构可用于获得沿面内方向的高载流子迁移率和电导率。同时，低载流子浓度有助于获得高塞贝克系数，最终获得高功率因数。第三，对称性低的晶体结构具有强烈的晶格非简谐振动，可以产生低的晶格热导率。同时，其低对称性晶体结构所对应的复杂电子能带结构也对热电材料有着巨大的吸引力。上述筛选规则在很多优秀的热电材料中得到了验证，如BiCuSeO、BiSbSe3、Sb2Si2Te6等。，为寻找新的高效热电材料提供了有益的指导。
论文第一作者萧瑜，北京航空航天大学材料学院2019级博士，2019-2021年博士后，现为Xi交通大学特聘研究员。获得2019国际热电材料大会“研究生奖”、2019年北京市优秀博士研究生、2019年国家“博士后创新人才”支持计划、2020年北航优秀博士论文空。2021年，他加入了Xi交通大学的“顶尖青年人才”计划。研究方向:利用微结构和能带结构设计优化热电材料性能，探索新型热电材料。目前，已在Science、JACS、Adv. Energy Mater等杂志上发表了40多篇重要论文。能源环境。Sci。，已被引用超过1700次，H因子为20。通讯作者为赵立东教授，北航为第一完成单位。
我会见了小轩。
这一重大成就的通讯记者和第一作者。
为北航人一起点赞！
赵李洞
北航空航天大学
材料科学与工程学院
教授和博士生导师
1997-2005年:辽宁工程技术大学金属材料及热处理专业材料科学学士学位和硕士学位。2005年至2009年，获得北京科技大学材料科学博士学位。2009-2011年南巴黎大学博士后研究员。2011-2014年美国西北大学博士后。2014年加入北航杰出百人计划；2016年北京市师德先锋；2017年国际热电学会青年科学家；2018年北京杰青项目获得者；2018长江学者奖励计划特聘教授；2019年国家杰青项目获得者；2019-2020全球高被引学者。主要研究方向:开发宽禁带高效热电材料，利用各向异性解耦传热与输电的矛盾。在《自然》《科学》等期刊发表重要论文230余篇，被引用23000余次，H因子75。
讲授“电传动与热传动的理论与应用”、“发电用热电材料”等课程。指导优秀博士学位论文、优秀硕士学位论文、优秀本科学位论文、北京市优秀本科学位论文、北京市优秀毕业生、国际热电学会研究生最高奖。
秦炳超
2019级博士生
2017年毕业于北航空航空航天大学材料科学与工程学院。同年9月，免试攻读硕士学位，进入赵立东教授研究组。2019年通过硕士、博士继续攻读博士学位。研究生期间主要研究方向为硒化锡等层状宽带隙热电材料的制备及传输性能优化。目前已发表SCI论文18篇，申请国家发明专利2项。曾获北航“十佳研究生”、国家博士奖学金等荣誉。
新世纪，新征程
奋进的号角已经吹响。
北航人尽力继续奋斗。
面向国际学术前沿
瞄准国家重大战略需求
实现高水平的科技自立。
在祖国的土地上书写科研成果！
赵立东教授研究组发表的科学论文链接:
2016:
https://science.sciencemag.org/content/351/6269/141
2018:
https://science.sciencemag.org/content/360/6390/778
2019:
https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1418
2020年:
https://science.sciencemag.org/content/367/6483/1196
2021:
https://science . science mag . org/content/early/2021/07/07/science . ABI 8668
赵立东教授研究组网站链接:
file/tupian/20220802/p
