打开

深耕国际前沿领域,北航赵立东团队又取新突破!共发表6篇Science

subtitle
BioNews 2021-07-31 17:50
打开网易新闻 查看更多图片

撰稿 | 不语

编排 | 鱼儿自己

校对 | Later

热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。人们对热电材料的认识具有悠久的历史。1823年,德国人塞贝克(Seebeck)发现了材料两端的温差可以产生电压,也就是通常所说的温差电现象。1834年,法国钟表匠珀耳帖(Peltier)在法国《物理学和化学年鉴》上发表了他在两种不同导体的边界附近(当有电流流过时)所观察到的温差反常的论文。

这两个现象表明了热可以致电,而同时电反过来也能转变成热或者用来制冷,这两个现象分别被命名为塞贝克效应和珀耳帖效应。它们为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。在环境污染和能源危机日益严重的今天,进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。

热电材料传递热量和电能,因此它们有利于发电或冷却应用。许多这些材料都有较窄的带隙,特别是用于冷却应用。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。

2021年7月30日,北京航空航天大学赵立东南方科技大学何佳清共同通讯在Science在线发表题为Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments的研究论文。

该研究通过Pb合金化开发了具有宽带隙 (Eg ≈ 33 kBT) 的SnSe 晶体,并且具有有吸引力的热电性能。铅合金化促进的动量和能量多带对齐导致在 300 K 时具有~75 μW cm-1 K-2 的超高功率因数,以及平均品质因数 ZT为~1.90。该研究发现 31 对热电器件可以产生 ~4.4% 的发电效率和 ~45.7 K 的冷却 ΔTmax。这些结果表明宽带隙化合物可用于热电冷却应用

总之,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。

此外,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。

该研究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Eg 在 (6-10) kBT(其中kB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,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

2020年3月13日,Science杂志发表了赵立东教授课题组题为Seeking new, highly effective thermoelectrics的文章,该文章全面阐述了作者在热电材料方面的研究观点。

文章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。

2019年9月27日,北京航空航天大学赵立东课题组在Science在线发表题为High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals的研究论文。

该研究发现并利用硫化锡(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 。

2018年5月18日,北京航空航天大学赵立东与南方科技大学何佳清共同通讯在Science 在线发表题为3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals的研究论文。

该研究显示773开尔文平面外的n型硒化锡(SnSe)晶体的最大ZT为〜2.8±0.5。层状SnSe晶体中的热导率在平面外方向上最低(2D电荷传输)。该研究用溴掺杂了SnSe,制得了具有重叠层间电荷密度(3D电荷传输)的n型SnSe晶体。连续的相变会增加对称性,并使两个会聚的导带发散。这两个因素改善了载流子迁移率,同时保留了较大的塞贝克系数。该研究发现可应用于2D分层材料中,并提供了一种新的策略来增强平面外电传输性能而不会降低热性能。

2016年1月8日,北京航空航天大学赵立东及美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis共同通讯在Science在线发表题为Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe的研究论文。

该研究报告了创纪录的ZTdev〜1.34,在孔掺杂硒化锡(SnSe)晶体中ZT从0.7到2.0在300到773开尔文之间实现。卓越的性能来自超高功率因数,超高功率因数归因于SnSe中存在的多个电子价带的贡献,而实现的高电导率和强大的塞贝克系数。SnSe是在低温和中温范围内用于能量转换应用的强大热电候选物。

赵立东简介:

赵立东,1979年生于哈尔滨。2001和2005年先后获得辽宁工程技术大学学士和硕士学位。2009年获得北京科技大学材料学博士学位。2009-2014年先后在巴黎十一大学和美国西北大学从事博士后研究。2014年入职北航卓越百人计划。2016年获北京市师德模范称号。2017年获国际热电学会青年科学家奖。2018年获北京市杰出青年基金项目支持。

主要研究兴趣为热电能源转换材料,发现了多种具有层状结构的高效热电材料(BiCuSeO, SnSe, SnS等),利用层状各向异性协同调控复杂耦合的热电参数。已在Science、Nature、Chem. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等期刊上发表SCI论文170余篇,被引用12000余次。授权美国专利1项,国家发明专利10余项。

特别声明:本文为网易自媒体平台“网易号”作者上传并发布,仅代表该作者观点。网易仅提供信息发布平台。
73赞
大家都在看打开应用 查看全部
网易热搜每30分钟更新
打开应用 查看全部
打开