2021年7月8日，《Science》杂志以First Release和全文Research Article的形式在线发表了北航材料学院赵立东教授课题组在电子制冷材料及器件的研究上取得的新进展：《Momentum and energy multiband alignment enable power generation and thermoelectric cooling》，采用协同调控动量空间和能量空间的多价带传输策略，实现了P型SnSe晶体性能的大幅提升；并搭建了基于SnSe晶体材料的器件，不但实现了温差发电，还实现了大温差的电子制冷。通常认为能带间隙 E g 在 (6-10) k B T （其中 k B 为玻尔兹曼常数和T为开氏温度）范围内的材料为理想的制冷材料（Goldsmid, et al. Thermoelectric Refrigeration，Springer, 1964.），但本工作表明能带间隙约为33 kBT 的SnSe晶体材料也具有电子制冷的巨大潜力，且具备成本低、储量丰富和重量小等优势（Science, 2021, eabi8668.）。
第一作者：秦炳超（北航2019级博士研究生）
导师和通讯作者：赵立东
第一单位：北京航空航天大学，材料科学与工程学院
热电转换技术是一类基于半导体材料的新能源技术。因存在基于Seebeck效应的温差生电现象而被广泛关注。但是温差发电的逆效应（Peltier效应，J. C. Peltier, Ann. Chim. Phys. 56 (1834) 371-386.）可实现通电制冷却被关注的较少。电子制冷具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，操作简便，易于进行冷量调节，可用于耗冷量小和占地空间小的场合，如电子设备和无线电通信设备中重要元件的冷却，这对于未来通讯、5G芯片的微型电子器件等科技自立自强、引领前沿领域的精确温控具有重要意义。
图1. (A) Peltier电子制冷示意图；(B) 半导体制冷片搭配散热单元，在通电过程中能够实现快速制冷的效果
热电材料的发电和制冷效率主要由材料的无量纲热电性能优值（ ZT 值）决定。 由 ZT 值的定义式 （ ZT = (S2σ/κ) T ） 可知，在给定温度 T 下，高性能热电材料应具有大的温差电动势 S （产生大的电压），高的电导率 σ （减小焦耳热损耗）和低的热导率 κ （产生大的温差）。然而，这些热电参数相互之间具有强烈的耦合关系，这使得热电材料的性能优化极其具有挑战性，调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料 ZT 值和热电转换（发电和制冷）效率的关键。随着热电材料领域的研究越来越受到重视，不断涌现出了诸多提升 ZT 值的有效策略：优化载流子浓度范围以提高电导率（ σ ）；调整电子能带结构、晶体结构、相结构等优化电传输性能（PF = S2σ）；通过引入点缺陷、位错、晶界、纳米级沉淀物等进行多尺度分层架构设计以降低热导率（ κ ）；引入磁性纳米粒子、功能基元序构设计以及高熵设计等解耦热传输和电传输；探索和开发具有本征低热导率特性的新材料体系；通过高通量及基于基因组计算等预测潜在的热电材料等。
赵立东教授课题组主要开发宽带隙高效热电材料，利用各向异性解耦热传输和电传输的矛盾，先后发现了SnSe的低晶格热导率源于强非谐振效应【Nature 508 (2014) 373-377】；利用SnSe多能带结构特点实现了多能带协同参与电传输【Science 351 (2016) 141-144】；利用施主掺杂促进离域电子杂化【Science 360 (2018) 778-783】；利用多能带的互动效应开发了高性价比的SnS热电材料【Science 365 (2019) 1418-1424】；逐渐形成了在宽带隙半导体中寻找高效热电材料的研究思路，克服了窄带半导体的双极扩散引起的热电性能窄温域问题【Science 367 (2020) 1196-1197】。近期研究发现，通过分别优化迁移率 μ 【JACS 141 (2019) 1141-1149】和有效质量 m* 【JACS 142 (2020) 5901-5909】可以不断提高材料的电传输性能（ PF = S 2 σ）。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到室温附近，进而实现电子制冷。
在具体研究中，通过变温同步辐射实验结合理论能带结构计算，发现了SnSe材料多个价带交互作用导致的动量空间和能量空间的价带对齐效应。如图2所示，动量空间的价带对齐对应于第一、第二价带的合并过程，这一过程有效提升了迁移率 μ和电导率 σ；能量空间的价带对齐对应于第三价带和前两个价带的简并过程，这一过程显著增强了有效质量 m *和温差电动势 S。通过固溶少量的铅（9% Pb），进一步促进了材料的价带在动量空间和能量空间的对齐效应，最终实现了P型SnSe晶体 ZT值和热电性能的显著提升，如图2所示。
图2. 通过 (A) 动量空间和能量空间的多价带调控，实现了室温附近 (B) ZT值的大幅提升
基于获得的高性能P型SnSe晶体样品，本工作进行了热电器件的搭建，并同时表征了所得器件的温差发电和通电制冷性能。如图3A所示，在210度左右的温差下，基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现约4.4%的热电转换效率，这一数值与同一温差下商业化应用的碲化铋（Bi2Te3）基热电器件相当；如图3B所示，基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现ΔT约为45.7度的最大制冷温差，这一数值可以达到商用Bi2Te3器件的70%。但相比于Bi2Te3材料，SnSe的成本降低了~54%，重量减少了~21%。
图3. 基于P型SnSe晶体的热电器件的 (A) 温差发电效率和（B）最大制冷温差
本工作首次尝试了基于SnSe晶体材料的多对热电器件的装配与性能表征，结果表明其能够实现显著的温差发电效率和通电制冷性能。这一研究表明宽带隙SnSe晶体可作为电子制冷材料的巨大潜力。且SnSe材料具有成本低、储量丰富和重量小等优势，具有十分重要的应用价值。
共同参与此项工作的有：清华大学的李敬锋教授课题组，武汉理工大学课题组的唐新峰教授、谭刚健教授和柳伟研究员，南方科技大学的何佳清教授课题组。此项工作主要得到了国家重点研发计划（2018YFA0702100）、国家自然科学基金委基础科学中心项目（51788104）、国家杰出青年科学基金（51925101）、北京市杰出青年科学基金（JQ18004）、教育部111引智计划（B17002）、中国博士后创新人才支持计划（BX20200028）等项目的资助，并得到了上海同步辐射光源（SSRF）BL14B1线站和北京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
深耕细作 砥砺创新
在《Science》接连发表5篇成果
小萱这就带你回顾一下
前4次成果
2015年11月26日，《Science》在线发表了北京航空航天大学材料学院赵立东教授等学者在硒化锡热电材料上取得的突破性研究成果——应用硒化锡独有的特殊电子能带结构和多谷效应，可以将其在300-773K宽温区范围内的热电性能大幅提高。论文名称为《Ultra-high power factor and thermoelectric performance in hole doped single crystal SnSe》。 论文第一作者和共同通讯作者为赵立东教授，北航为第一完成单位。
2018年5月18日，《Science》杂志再次发表了赵立东教授课题组在热电材料研究上的更新进展：《3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals》。利用硒化锡（SnSe）的层间最低热传导特性（二维声子传输），通过电子掺杂促进离域电子杂化，实现了电子在n型SnSe层间的隧穿（三维电荷传输）。
论文第一作者常诚是北航材料学院2019届博士，现为奥地利科学与技术研究院博士后。获得2019年国际热电材料大会“Goldsmid Award”(1人次/全球每年)，2019年北京市优秀毕业生，2020年奥地利Lise Meitner基金。主要研究兴趣：低热导二维层状热电材料和纳米界面调控。目前已在Science、Adv. Energy Mater.、JACS等期刊上发表重要论文30余篇，被引2300余次，H因子22 （谷歌学术）。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，《Science》杂志在线以全文Article的形式发表了赵立东教授课题组在热电材料研究上取得的新进展：《High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals》发现并利用硫化锡（SnS）的多个能带随着温度的演变规律，通过引入Se优化调控了有效质量和迁移率的矛盾，在储量丰富、成本低廉、环境友好的SnS晶体材料中实现了高的热电性能。
论文第一作者何文科是北航材料学院2021届博士，拟入职四川大学“双百人才工程”计划。获得2019年校“优秀科技创新团队奖”，2020年国际热电学会“Graduate Student Award”和北航“十佳学术论文奖”，2021年北京市优秀毕业生和北航“博士生十佳”称号。主要研究兴趣：新型层状材料合成制备和晶体生长，以及热电传输性能研究和优化。目前已在Science, JACS, Adv. Energy Mater.等期刊发表论文18篇，申请国家发明专利1项。论文通讯作者为赵立东教授，北航为第一完成单位。
2020年3月13日，《Science》杂志发表了赵立东教授课题组在热电材料方面的研究观点：《Seeking new, highly effective thermoelectrics》，提出了筛选新型高效热电材料的规则：大带宽、层状和低对称性晶体材料。同时具有以上特征的半导体材料有望成为下一代高效热电材料。
为了在宽温域内获得高的热电转换效率，可利用具有高平均ZT值(ZTave)的新型热电材料制备成单段热电臂器件，有效避免多段热电臂中的界面问题，提升热电器件的长期高温服役稳定性。为此，赵立东教授提出了筛选新型高效热电材料的规则：大带宽、层状和低对称性晶体材料。同时具有以上特征的半导体材料有望成为下一代高效热电材料。第一，大带宽材料可以有效避免材料在宽温域内发生本征激发，ZT值在宽温域内可持续增加；第二， 层状晶体材料具有高的面内传输特性。宽带隙半导体因其本征低的载流子浓度偏离了热电材料需要的最佳载流子浓度，其热电性能往往被忽视。为了在宽带隙半导体中实现高电传输性能，可以利用晶体材料的层状结构沿面内方向得到高的载流子迁移率和电导率。同时，低的载流子浓度有助于得到高的赛贝克系数，最后获得高的功率因子。第三，低对称性晶体结构具有强的晶格非谐振动，可产生低晶格热导率。同时，与其低对称晶体结构对应的复杂电子能带结构对热电材料同样具有很大的吸引力。以上筛选规则在多种优异的热电材料中得到验证，如BiCuSeO、BiSbSe3、Sb2Si2Te6等，为寻找新型高效热电材料提供了有益的指导。
论文第一作者肖钰是北航材料学院2019届博士，2019-2021年北航博士后，现为西安交通大学特聘研究员。获得2019年国际热电材料大会“Graduate Student Award”，2019年北京市优秀博士毕业生，2019年国家“博士后创新人才”支持计划，2020年北京航空航天大学优秀博士论文。2021年入职西安交通大学“青年拔尖人才”计划。主要研究兴趣：利用微观结构和能带结构设计优化热电材料性能以及新型热电材料的探索。目前已在Science、JACS、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.等期刊上发表重要论文40余篇，被引用1700余次，H因子20（谷歌学术）。通讯作者为赵立东教授，北航为第一完成单位。
和小萱一起认识
这项重磅成果的通讯作者和第一作者
一起为北航人点赞👍！
赵 立 东
北京航空航天大学
材料科学与工程学院
教授、博士生导师
1997-2005年辽宁工程技术大学（原阜新矿业学院）金属材料及热处理本科和材料学硕士。2005-2009年获得北京科技大学材料学博士学位。2009-2011年南巴黎大学 (Universite Paris-Sud) 博士后。2011-2014年美国西北大学 (Northwestern University) 博士后。2014年入职北航卓越百人计划；2016年北京市师德先锋；2017年国际热电学会青年科学家；2018年北京市杰青项目获得者；2018年度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年全球高被引学者。主要研究兴趣：开发宽带隙高效热电材料，利用各向异性解耦热传输和电传输的矛盾。已在Nature和Science (5篇)等期刊上发表重要论文230余篇, 被引用 23000余次，H因子75（谷歌学术）。
主讲《电传输和热传输理论及应用》（本科生）、《Thermoelectric Materials for Power Generation》（留学生）等课程。指导了校级优秀博士论文（2人）、校级优秀硕士论文（1人）、校级优秀本科毕设论文（3人）、北京市优秀本科毕业论文（1人）、北京市优秀毕业生（6人）、国际热电学会研究生最高奖（1人, 1人次/全球）等。
秦炳超
北京航空航天大学
材料科学与工程学院
2019级博士研究生
2017年于北京航空航天大学材料科学与工程学院本科毕业，同年9月推免入读硕士研究生，进入赵立东教授课题组，并于2019年通过硕博连读继续攻读博士学位。研究生期间，主要研究方向为硒化锡（SnSe）等层状宽带隙热电材料的制备及其传输性能优化，目前共发表SCI论文18篇（其中第一作者7篇，包含一篇Science，两篇JACS等），申请国家发明专利2项。曾获北航硕士“研究生十佳”、博士国家奖学金等荣誉。
新的百年，新的征程
奋进的号角已经吹响
北航人砥砺初心 接续奋斗
面向国际学术前沿
瞄准国家重大战略需求
实现高水平科技自立自强
把科研成果写在祖国大地上！
赵立东教授课题组发表的Science论文链接：
2016年:
https://science.sciencemag.org/content/351/6269/141
2018年:
https://science.sciencemag.org/content/360/6390/778
2019年:
https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1418
2020年:
https://science.sciencemag.org/content/367/6483/1196
2021年:
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abi8668
赵立东教授课题组网站链接：
http://shi.buaa.edu.cn/zhaolidong/zh_CN/index.htm
素材来源｜赵立东教授课题组
部分素材来自网络
