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35 岁还在做博后!回国 4 年入选长江学者,5 年​获国家杰青资助,8 年发表 6 篇 Science!他,专注一个领域,攻克关键难题!

从 2014 年回国至今,赵立东加入北京航空航天大学从事研究工作已经 8 年。

赵立东教授团队长期专注热电能源转换材料的研究,发现了多种具有层状结构的高效热电材料 BiCuSeO、SnSe、SnS 等,利用层状结构的各向异性实现了复杂耦合热电参数的协同调控。自 2014 年作为第一作者在 Nature 报道超高热电性能 SnSe 热电材料以来,2016 年 -2022 年,赵立东教授为通讯作者,北航为第一单位,连续在 Science 发表 6 篇论文(研究论文 5 篇,展望述评文章 1 篇),在热电能源转换材料领域,取得一系列重大突破!2017 年获国际热电学会青年科学家奖,2018 年入选长江学者特聘教授,2019 年获得国家自然科学基金杰出青年基金资助。

热电材料允许热和电之间的直接转换,在发电与制冷领域有着十分广阔的应用潜力。然而高性能热电材料要求材料能在大温差下,同时具备高的电传输特性与低的热传输性能,而高导电和低导热是一对矛盾体,这严重制约了其进一步发展和应用。热电材料的发电和制冷效率主要由材料的无量纲热电优值 ZTave 决定,更高的 ZT 值意味着更大的能量转换效率。

2022 年 3 月,北京航空航天大学赵立东和奥地利科学技术研究院常诚等人合作,报道了一种氯掺杂铅合金化的 N 型硒化锡晶体,其在 300 ~ 773 开尔文条件下,ZT 值达到了 1.7,沿面外方向表现出优异的三维电荷和二维声子输运特性,其最大 Zmax 为 ~ 3.6 × 10-3/kelvin,氯诱导的低变形势提高了载流子的迁移率。铅引起的质量和应变波动降低了晶格的导热系数,声子 - 电子解耦是实现高性能热电器件的关键。

图 . 电子和声子通过强化三维电荷和二维声子输运而解耦

利用层状材料在层外方向的低热导特点,通过调节晶体结构对称性在层外方向改善了载流子在层间的迁移,从而促进了层间方向的电子遂穿。通过声子 - 电子去耦发现氯掺杂和铅合金硒化锡晶体的声—电耦合程度大幅降低,载流子迁移率 ( μ ) 可提升 ~30%。在 748 开尔文时具有约 4.1 × 10-3/kelvin 的极具吸引力的高 Zmax,在 300 至 773 开尔文时 ZTave 为约 1.7。相比于 Br 掺杂,氯诱导的低变形势进一步提高了载流子迁移率,同时铅引起的质量和应变波动降低了晶格热导率。声子 - 电子解耦对于实现高性能热电器件起着关键作用。

以下为 2016 年以来,赵立东教授作为通讯作者在 Science 发表的论文情况:

参考文献:

Lizhong Su et al. High thermoelectric performance realizedthrough manipulating layered phonon-electron decoupling. Science, 2022, 375,1385

DOI:10.1126/science.abn8997

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn8997

标签: 热电材料 载流子迁移率 能源转换

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