《Science》刊发北航赵立东教授成果 热电能源材料研究取得重大突破
2015-11-27

转载自北航新闻网11月27日电(记者航宣) 2015年11月26日,世界顶级期刊《Science》在线发表了北京航空航天大学赵立东教授等学者在热电能源材料硒化锡应用方面的重大突破性研究成果——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,从而使硒化锡在国际新能源领域的实际应用迈出了关键一步。这是我国学者在国际学术前沿研究方面的重要进展,标志着北航在热电能源材料研究领域处于世界领先水平。
赵立东是北航材料科学与工程学院教授,现任北航国际交叉科学研究院热电能源材料研究室主任。此次《Science》在线发表的论文《Ultra-high power factor and thermoelectric performance in hole doped single crystal SnSe》,赵立东为第一作者和共同通讯作者。该成果被选为每周《Science》接收文章中的重点工作,以《科学快讯》的形式提前与读者见面(《Science》通过《Science Express》每周从接收的文章中选出2-3篇最重要的文章预先出版,这些文章在6至8周后,将以在线和纸本形式同时出现在《Science》杂志上)。



http://www.sciencemag.org/content/early/2015/11/24/science.aad3749.abstract

热电转换技术是一种利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的技术。随着环境保护形势的日益严峻,研究和开发清洁能源已成为全球科学研究的重点领域。其中,热电转换技术凭借系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点,被重点关注。同时由于热电转换系统是深空探测器和航天探测器上不可取代的可靠电源,全球航天强国无不在这一领域全力投入,以致近年来在全球范围内掀起了热电能源材料的研发热潮。
热电转换效率是衡量热电材料性能的关键指标,它主要取决于材料的性能优值ZT。从定义ZT = (S2σ/κ)T可见在一定的温度T下,具有更大的温差电动势S (产生大电压),更优异的电导率σ和更低的热导率κ 的热电能源材料,其热电转换效率更高、性能更佳。但由于这几个热电参数之间存在复杂的互动关系,使得实现高热电优值ZT 成为一个巨大的挑战。同时从热电材料研究和应用的大趋势来看,还需要兼顾资源储量和环境兼容性。所以,即便以目前最好的中温区热电材料碲化铅 (PbTe) 来说,从资源储量碲 (Te) 和环境兼容性铅 (Pb) 等因素考虑,碲化铅体系也不具有很强的生命力。所以,研发一种理想的热电能源材料,使之同时具备性能优异、储量丰富且环境友好等条件要素,成为长期困扰热电研究学者的难题。



热电材料的(a)温差发电和(b)制冷模型

赵立东教授在美国西北大学从事博士后研究期间,开发了颇具潜力的硒化锡热电材料。根据长期经验总结的一套筛选热电材料的方法,对候选材料进行了大规模筛选和对比研究。期间他发现硒化锡除了储量丰富和环境友好等优点外,还具有比碲化铅更低的热导率,而这恰好满足了热电材料的低热传导要求。赵立东意识到这是一种非常有潜力的优秀热电能源材料,但是受制于其较弱的导电性能,导致硒化锡长期被热电领域所忽视。
怎么样才能改善硒化锡的导电性能?考虑到硒化锡的层状晶体结构,赵立东大胆地猜想在其层面内可能具有不错的导电性能 (电导率主要由载流子迁移率和载流子浓度两个因素决定),并开始尝试制备硒化锡单晶。研究结果恰好符合了预期,进一步的研究发现硒化锡单晶的载流子迁移率是硒化锡多晶的5倍。通过制备硒化锡单晶,在b轴和c轴方向上均能获得ZT ? 2的高性能优值 (Zhao et al. Nature 508 (2014) 373)。赵立东的这一发现迅速在国际学术界引起了广泛关注,并很快被西班牙马德里材料科学研究所和美国橡树岭国家实验室的学者通过实验分别证实。



硒化锡SnSe单晶

初战告捷的赵立东并未就此止步。尽管前期初步研究结果表明硒化锡是一种很有发展潜力的块体热电材料,但还存在另一关键问题亟待解决:他发现硒化锡材料在300-773K温度范围内ZT值很低,这一点严重限制了硒化锡在300-773K这一重要温度区间的使用。这时,赵立东已入选国家“青年千人计划”,并回国成为北京航空航天大学材料学院的教授,并担任北航国际交叉科学研究院热电能源材料研究室主任。近年来,北航为落实人才强校战略,大力推进机制创新,专门设立了“国际交叉科学研究院”人才特区,实行国际化聘任和评价机制,为每位新引进的海外优秀学者建立了实验室。当赵立东教授正式入职北航工作时,学校已经按照需求为他专门成立并建好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,感受到学校无微不至的关怀和巨大支持。



硒化锡SnSe的声子和电子传输示意图

在北航的深入研究期间,赵立东教授经过持续的深入思考和无数次反复推导,基本确定整体提高硒化锡的热电优值ZT的思路,只能是提高硒化锡的导电性和温差电动势,以求获得300-773K温度范围内较高的电传输性能。他敏锐地认识到,利用能带结构是调控热电材料的导电性和温差电动势的有效方法 (Zhao et al. Energy Environ. Sci. 7(2014) 251, Journal of Materiomics, 1 (2015) 92),如在碲化铅体系中两个价带 (轻价带1带和重价带2带) 的距离仅相距0.15 eV, 1带和2带能量对齐后可使有效质量增加,从而提高温差电动势。他发现硒化锡的电子带结构更加复杂,多个价带的能量距离很小,如1价带和2价带的距离仅为0.06 eV, 1价带和3价带的距离为0.13 eV, 1价带和4价带的距离为0.19 eV。当费米能级已经进入4价带甚至接近5和6价带,这时就可实现多个价带同时参与电传输。
赵立东对这一现象做了一个形象的类比:一条高速公路上有无数拥挤的车辆时,车辆行驶的会非常缓慢;但把同样数量的车分配到6条高速公路后,车不但行驶的快而且在单位路面上通过的车量也会增多。
通过这一移动费米能级的巧妙方法,不但可以保持相对较高的载流子迁移率,还使得温差电动势提高了5倍,可以让硒化锡材料在整个温度区间的热电优值ZT得到大幅提升——在300-773K温度区间的ZT值从0.1-0.9提高到0.7-2.0。如果选取300K和773K分别为低温端和高温端,硒化锡作为热电器件的p型材料搭配同样性能的n型材料,可以产生16.7 %的理论发电效率。这个结果意味着开发一种同时具备性能优异、储量丰富而且环境友好的热电能源材料已成为可能。



碲化铅PbTe和硒化锡SnSe的电子结构对比

赵立东也为这一研究成果感到十分振奋。他以最快的速度将相关研究过程和数据撰写成文投给了《Science》杂志并很快被接收发表。赵立东教授出生于1979年,系北京航空航天大学“卓越百人计划”和中组部第六批“青年千人计划”入选者。主要从事热电能源材料、超导材料和低热传导氧化物材料的研究。先后获得辽宁工程技术大学学士、硕士和北京科技大学博士学位。2009至2011年,在法国巴黎十一大学物理系从事博士后研究;2011至2014年,在美国西北大学化学系从事博士后研究。迄今已在《Science》《Nature》《Nature Commun.》等国际著名期刊上发表SCI论文80余篇、被引用2200多次,授权和申请美国专利3项,中国专利8项。
北京航空航天大学为该工作的第一完成单位(第一作者和通讯作者),合作单位包括美国西北大学、南方科技大学、美国密西根大学和美国加州理工学院。该工作获得了中组部 “青年千人计划”、国家自然科学基金 (51571007 ) 项目和北航 “卓越百人计划” 的支持。
近年来,北航学者在《Nature》《Science》等国际顶级学术期刊上均有高水平论文发表。学校坚持瞄准国际学术前沿、围绕国家战略需求,加大空天信融合特色的世界一流大学和一流学科建设力度,共有工程学、材料科学、物理学、计算机科学、化学五个学科领域的ESI排名进入全球前1%。尤其在工程、材料等学科中形成了多个等世界一流学科方向,取得令人瞩目的科技创新重大突破。特别是近10年获得9项国家级科技奖励一等奖、3项国家自然科学二等奖,创造了一所大学连续获国家最高等级科技奖励的“奇迹”,被社会誉为科技创新的“北航模式”。