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本文來(lái)源：三峽大學(xué)（ID：ctguedu）募格學(xué)術(shù)??來(lái)源：北京航空航天大學(xué) 三峽大學(xué)報(bào)

2019年9月27日，國(guó)際頂尖期刊《科學(xué)》（Science）雜志在線以全文Article的形式發(fā)表了北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授課題組在熱電材料研究上取得的新進(jìn)展，北京航空航天大學(xué)在讀博士生、三峽大學(xué)本科畢業(yè)生何文科為第一作者。

本科雙非院校，博士考入北航，這個(gè)94年的小伙一作發(fā)了Science

第一作者：

何文科（北航2018級(jí)博士研究生）

導(dǎo)師和通訊作者：趙立東

第一單位：北京航空航天大學(xué)，材料科學(xué)與工程學(xué)院

文章都寫了啥？

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種利用Seebeck效應(yīng)（溫差發(fā)電）和Peltier效應(yīng)（通電制冷）實(shí)現(xiàn)電能與熱能相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)，具有系統(tǒng)體積小、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)磨損、無(wú)噪音和無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，在廢熱發(fā)電和電子制冷等關(guān)鍵領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，如利用熱電材料的溫差發(fā)電技術(shù)是深空探測(cè)中不可替代的能源技術(shù)。

熱電轉(zhuǎn)換效率是衡量其熱電材料性能的重要參數(shù)，由熱電性能優(yōu)值（ZT值）決定，其中：

所以，性能優(yōu)異的熱電材料應(yīng)同時(shí)具有大的溫差電動(dòng)勢(shì)S（維持大的溫差電壓）、高的電導(dǎo)率σ（減少焦耳損耗）和低的熱導(dǎo)率κ（保持大的溫差）。然而這些熱電參數(shù)是相互糾纏耦合的，嚴(yán)重制約了ZT值的提高，有效地調(diào)控這些復(fù)雜耦合的熱電參數(shù)是提高ZT值和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。近年來(lái)，提高ZT值的策略層出不窮：如通過(guò)點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、界面、結(jié)構(gòu)納米化等多尺度缺陷設(shè)計(jì)降低熱導(dǎo)率（κ）；調(diào)整電子能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、相轉(zhuǎn)變等實(shí)現(xiàn)高的電傳輸性能引入磁性納米粒子實(shí)現(xiàn)電-聲-磁協(xié)同調(diào)控；直接尋找具有本征低熱導(dǎo)κ或高功率因子PF的熱電材料：

或通過(guò)高通量計(jì)算手段篩選有效熱電材料等。

2014年，SnSe被發(fā)現(xiàn)是一種具有強(qiáng)非簡(jiǎn)諧效應(yīng)的熱電材料后?(Nature 508 (2014) 373-377)，又相繼發(fā)現(xiàn)了SnSe的多價(jià)帶傳輸特性（Science 351 (2016) 141-144）和SnSe的面外方向“二維聲子?/?三維電荷”傳輸特性（Science 360 (2018) 778-783）。與此同時(shí)，該課題組近年來(lái)以開發(fā)低成本、環(huán)境友好、儲(chǔ)量豐富的熱電材料為目標(biāo)。與同IV-VI族熱電材料相比（PbTe, PbSe, PbS, SnTe, SnSe，其中Te的儲(chǔ)量豐度是0.001ppm，Se為0.05ppm，S為420ppm），可見SnS是具備以上特征的最具吸引力化合物之一，但面臨的挑戰(zhàn)是如何改善SnS的電傳輸性能（電導(dǎo)率和溫差電動(dòng)勢(shì)）。由于硫化物的強(qiáng)電負(fù)性和寬帶隙，一直不被認(rèn)為是一種電的良導(dǎo)體。經(jīng)過(guò)2年的探索研究，摸索出了SnS晶體的生長(zhǎng)方法，通過(guò)利用晶體的各向異性，在層內(nèi)方向獲得了高于多晶材料（J. Mater. Chem. A, 2 (2014) 17302-17306）10-15倍的遷移率（J. Mater. Chem. A, 6 (2018) 10048-10056），成功地改善了SnS的電導(dǎo)率。

熱電材料不但需要好的電導(dǎo)率，也需要大的溫差電動(dòng)勢(shì)，這是一對(duì)受載流子濃度制約的矛盾。本次工作主要集中在溫差電動(dòng)勢(shì)和電導(dǎo)率的優(yōu)化上，即有效質(zhì)量m*和遷移率μ的協(xié)同調(diào)控（也是一對(duì)矛盾），調(diào)控優(yōu)化程度可由品質(zhì)因子β來(lái)衡量。

實(shí)驗(yàn)上，首先通過(guò)變溫同步輻射測(cè)試獲得了不同溫度下的原子占位信息，結(jié)合電子能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)在SnS材料中存在多個(gè)價(jià)帶隨溫度的協(xié)同互動(dòng)（示意圖如下）。

即多個(gè)價(jià)帶經(jīng)歷了收斂（增加有效質(zhì)量和減小遷移率），相交（收斂與分離），以及分離（減小有效質(zhì)量和增加遷移率）三個(gè)過(guò)程。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，這一多價(jià)帶隨溫度的演變過(guò)程可以通過(guò)在SnS中引入Se實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)，如下圖所示。

通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控（固溶Se），使價(jià)帶尖銳化，同時(shí)更多的價(jià)帶參與傳輸，進(jìn)一步增強(qiáng)電輸運(yùn)性能。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)，Se的引入還可使多價(jià)帶尖銳化（減小有效質(zhì)量和增加遷移率），而且還可促進(jìn)更多的價(jià)帶（第四個(gè)價(jià)帶）參與傳輸（維持較大的有效質(zhì)量）。引入Se后，在遷移率提升的同時(shí)，維持了大的有效質(zhì)量，從而獲得了大的品質(zhì)因子β，使SnS晶體在整個(gè)溫區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了很高的電傳輸性能，甚至優(yōu)于具有多價(jià)帶傳輸特性的SnSe晶體（Science 351 (2016) 141-144）。SnS晶體的最大ZT值從 ~ 1.0提高到 ~ 1.6，整個(gè)溫區(qū)內(nèi)平均ZT值達(dá)到 ~ 1.25。與同IV-VI族熱電材料相比，SnS是一種環(huán)境友好（environmentally-friendly）、高效（high-efficiency）、高性價(jià)比（cost-effective）的熱電材料，在未來(lái)大規(guī)模的熱電器件應(yīng)用中極具吸引力。

論文原文鏈接：

https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1418

作者簡(jiǎn)介

?2019年10月，何文科曾接受《三峽大學(xué)報(bào)》采訪，以下為采訪全文

何文科，男，1994年出生于湖北省仙桃市。2016年本科畢業(yè)于三峽大學(xué)，并獲得優(yōu)秀畢業(yè)生稱號(hào)。同年9月考取北京航空航天大學(xué)碩士研究生，進(jìn)入趙立東教授課題組，并于2018年繼續(xù)攻讀博士學(xué)位。研究生期間，主要研究硫化錫（SnS）層狀結(jié)構(gòu)材料的制備及其熱電傳輸性能的研究，目前共發(fā)表SCI論文6篇（其中第一作者2篇），申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利1項(xiàng)。

迷茫中成長(zhǎng) 忙碌后堅(jiān)定

“很多人在踏入大學(xué)時(shí)都很迷茫，有些人渾渾噩噩的度過(guò)了，而有些人找到了人生方向，不同的人有不同的選擇，從而造成的結(jié)果也就不同?！焙挝目圃诨乇本┑幕疖嚿辖邮懿稍L時(shí)如此說(shuō)道，這是他對(duì)自己求學(xué)生涯的回顧自審，也是一種經(jīng)驗(yàn)的分享。

“每個(gè)人到達(dá)一個(gè)新的陌生環(huán)境都會(huì)感到迷茫，與此同時(shí)，也會(huì)對(duì)未來(lái)的生活有一種期待。這時(shí)候腦海里就會(huì)蹦出很多對(duì)未來(lái)的想法。我一邊成長(zhǎng)，卻又迷茫，慢慢的找到了自己感興趣的東西，也正是這些推動(dòng)著我學(xué)會(huì)新知識(shí)，開始為了自己的興趣而忙碌，也在忙碌中漸漸找到了接下來(lái)的路途?！?/span>

困難中面對(duì) 失敗后提升

?“當(dāng)然會(huì)遇到困難，經(jīng)常是一波未平一波又起?！?/span>說(shuō)到求學(xué)路上的困難和失敗，雖然滿面笑容，卻也聽得出何文科語(yǔ)氣中的一絲無(wú)奈。無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)出錯(cuò)，無(wú)數(shù)次的校對(duì)有誤差，對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的一次次修改，這在何文科看來(lái)已經(jīng)是生活常態(tài)，與取得的成果相比，其中所經(jīng)歷的困難與失敗更是要多得多。

“困難和挫折的確會(huì)消磨一個(gè)人的意志，但同時(shí)也會(huì)讓你有更深刻的重新認(rèn)識(shí)，讓自己知道什么是自己可以做到的或可以做得更好的，什么是自己需要去學(xué)習(xí)去提升的。每一段痛苦和挫折都是寶貴的經(jīng)歷，年輕時(shí)不要怕犯錯(cuò)誤或失敗。只有自己經(jīng)歷過(guò)后，看待問題的角度和方式才會(huì)更深刻，這對(duì)自己的成長(zhǎng)是有好處的。所以，勇敢地去面對(duì)，去經(jīng)歷，然后當(dāng)再次遇到困難時(shí)，你就會(huì)感謝過(guò)去的自己?！?/span>

挫折是在所難免的，但風(fēng)雨過(guò)后總能見彩虹，1994年出生的何文科，已經(jīng)以第一作者身份發(fā)表了Science論文，這也讓他對(duì)未來(lái)增加了更多期待和展望。

積累中堅(jiān)守為學(xué)弟學(xué)妹立標(biāo)

何文科的研究方向是熱電材料，是一種實(shí)現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)化的功能材料。上世紀(jì)50年代，熱電材料就在深空探測(cè)中成為不可替代的供電電源?，F(xiàn)在也應(yīng)用于汽車工業(yè)中尾氣的回收利用，便攜式的冰箱，可穿戴電子設(shè)備等等多方面。此外，作為能源轉(zhuǎn)化材料，其擁有系統(tǒng)體積小、便攜、安全、穩(wěn)定、無(wú)噪音、無(wú)污染等諸多優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)的發(fā)展?jié)摿薮?，也是何文科愿意為之奮斗的原因。

“踏實(shí)，主動(dòng)，積極，做事情很認(rèn)真很踏實(shí)，主動(dòng)找老師糾正自己的錯(cuò)誤，重復(fù)做很多次實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。正是這些品質(zhì)促進(jìn)了他的成長(zhǎng)?！边@是何文科本科指導(dǎo)老師喬秀清對(duì)他的評(píng)價(jià)。從字里行間中可以讀出喬秀清老師的自豪感。他的本科同學(xué)張偉民說(shuō)他“有著很積極的生活態(tài)度，大氣，不拘小節(jié)，是一個(gè)可以做大事的人?！?/span>

導(dǎo)師是大學(xué)生學(xué)習(xí)生活中很重要的一個(gè)角色，但更重要的是學(xué)生自己對(duì)科研執(zhí)著追求的精神。喬秀清老師多次強(qiáng)調(diào)了“踏實(shí)”這個(gè)詞，稱贊何文科在本科學(xué)習(xí)以及考研過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的踏實(shí)勁。關(guān)于何文科的未來(lái)，喬秀清老師說(shuō):“他有著對(duì)科研執(zhí)著追求的精神和毅力，以后會(huì)前途無(wú)量。一般讀博士的前兩年是一個(gè)積累的過(guò)程，現(xiàn)在他才博士一年級(jí)，只發(fā)表一篇science論文就已經(jīng)一鳴驚人了，后兩年時(shí)間內(nèi)，他應(yīng)該還會(huì)有其它的成果。待博士3年畢業(yè)時(shí)一定會(huì)成績(jī)斐然。”喬秀清老師在給學(xué)生上課時(shí)常鼓勵(lì)學(xué)生以何文科為學(xué)習(xí)榜樣。在她所指導(dǎo)過(guò)的學(xué)生當(dāng)中，目前在science上發(fā)表文章的僅何文科一人，濃濃自豪感油然而生。

喬秀清老師鼓勵(lì)材化專業(yè)的學(xué)生要有信心，21世紀(jì)科技發(fā)展以信息、能源和材料為三大支柱，而信息、能源更是以材料為載體，材料專業(yè)發(fā)展前途光明。何文科所攻讀的熱電材料正是這其中的熱門專業(yè)之一，未來(lái)可利用熱電材料的溫差發(fā)電技術(shù)來(lái)進(jìn)行深空探測(cè)。她還感慨學(xué)材料專業(yè)的人承載著非常多的期望，也有一個(gè)非常光明的未來(lái)。她發(fā)出呼吁，同學(xué)們要有熱愛專業(yè)的信心與決心，既然作出了選擇就要為之努力奮斗。

作為一名90后的時(shí)代新青年，何文科決定走上這一條科研的“挑戰(zhàn)路”，而這一走也再?zèng)]停下來(lái)，雖然很苦很累，但走這條路上，他無(wú)怨也無(wú)悔。

原創(chuàng)文章，作者：菜菜歐尼醬，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來(lái)源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/11/09/576c5ff18d/

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