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青少年数学之旅

2019年9月27日，国际顶尖期刊《科学》（Science）杂志在线以全文Article的形式发表了北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授课题组在热电材料研究上取得的新进展，北京航空航天大学在读博士生、三峡大学本科毕业生何文科为第一作者。

第一作者：

何文科（北航2018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

热电转换技术是一种利用Seebeck效应（温差发电）和Peltier效应（通电制冷）实现电能与热能相互转换的技术，具有系统体积小、无运动部件、无磨损、无噪音和无污染等诸多优点，在废热发电和电子制冷等关键领域有着重要的应用，如利用热电材料的温差发电技术是深空探测中不可替代的能源技术。

热电转换效率是衡量其热电材料性能的重要参数，由热电性能优值（ZT值）决定，其中：

所以，性能优异的热电材料应同时具有大的温差电动势S（维持大的温差电压）、高的电导率σ（减少焦耳损耗）和低的热导率κ（保持大的温差）。然而这些热电参数是相互纠缠耦合的，严重制约了ZT值的提高，有效地调控这些复杂耦合的热电参数是提高ZT值和转换效率的关键。近年来，提高ZT值的策略层出不穷：如通过点缺陷、位错、界面、结构纳米化等多尺度缺陷设计降低热导率（κ）；调整电子能带结构、晶体结构对称性、相转变等实现高的电传输性能引入磁性纳米粒子实现电-声-磁协同调控；直接寻找具有本征低热导κ或高功率因子PF的热电材料：

或通过高通量计算手段筛选有效热电材料等。

2014年，SnSe被发现是一种具有强非简谐效应的热电材料后 (Nature 508 (2014) 373-377)，又相继发现了SnSe的多价带传输特性（Science 351 (2016) 141-144）和SnSe的面外方向“二维声子 / 三维电荷”传输特性（Science 360 (2018) 778-783）。与此同时，该课题组近年来以开发低成本、环境友好、储量丰富的热电材料为目标。与同IV-VI族热电材料相比（PbTe, PbSe, PbS, SnTe, SnSe，其中Te的储量丰度是0.001ppm，Se为0.05ppm，S为420ppm），可见SnS是具备以上特征的最具吸引力化合物之一，但面临的挑战是如何改善SnS的电传输性能（电导率和温差电动势）。由于硫化物的强电负性和宽带隙，一直不被认为是一种电的良导体。经过2年的探索研究，摸索出了SnS晶体的生长方法，通过利用晶体的各向异性，在层内方向获得了高于多晶材料（J. Mater. Chem. A, 2 (2014) 17302-17306）10-15倍的迁移率（J. Mater. Chem. A, 6 (2018) 10048-10056），成功地改善了SnS的电导率。

热电材料不但需要好的电导率，也需要大的温差电动势，这是一对受载流子浓度制约的矛盾。本次工作主要集中在温差电动势和电导率的优化上，即有效质量m*和迁移率μ的协同调控（也是一对矛盾），调控优化程度可由品质因子β来衡量。

实验上，首先通过变温同步辐射测试获得了不同温度下的原子占位信息，结合电子能带结构计算，研究发现在SnS材料中存在多个价带随温度的协同互动（示意图如下）。

即多个价带经历了收敛（增加有效质量和减小迁移率），相交（收敛与分离），以及分离（减小有效质量和增加迁移率）三个过程。进一步研究发现，这一多价带随温度的演变过程可以通过在SnS中引入Se实现增强，如下图所示。

通过能带结构调控（固溶Se），使价带尖锐化，同时更多的价带参与传输，进一步增强电输运性能。

同时发现，Se的引入还可使多价带尖锐化（减小有效质量和增加迁移率），而且还可促进更多的价带（第四个价带）参与传输（维持较大的有效质量）。引入Se后，在迁移率提升的同时，维持了大的有效质量，从而获得了大的品质因子β，使SnS晶体在整个温区内实现了很高的电传输性能，甚至优于具有多价带传输特性的SnSe晶体（Science 351 (2016) 141-144）。SnS晶体的最大ZT值从 ~ 1.0提高到 ~ 1.6，整个温区内平均ZT值达到 ~ 1.25。与同IV-VI族热电材料相比，SnS是一种环境友好（environmentally-friendly）、高效（high-efficiency）、高性价比（cost-effective）的热电材料，在未来大规模的热电器件应用中极具吸引力。

论文原文链接：

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

2019年10月，何文科曾接受《三峡大学报》采访，以下为采访全文

科研路上的“攀登者”

——记90后校友何文科

何文科，男，1994年出生于湖北省仙桃市。2016年本科毕业于三峡大学，并获得优秀毕业生称号。同年9月考取北京航空航天大学硕士研究生，进入赵立东教授课题组，并于2018年继续攻读博士学位。研究生期间，主要研究硫化锡（SnS）层状结构材料的制备及其热电传输性能的研究，目前共发表SCI论文6篇（其中第一作者2篇），申请国家发明专利1项。

迷茫中成长忙碌后坚定

“很多人在踏入大学时都很迷茫，有些人浑浑噩噩的度过了，而有些人找到了人生方向，不同的人有不同的选择，从而造成的结果也就不同。”何文科在回北京的火车上接受采访时如此说道，这是他对自己求学生涯的回顾自审，也是一种经验的分享。

“每个人到达一个新的陌生环境都会感到迷茫，与此同时，也会对未来的生活有一种期待。这时候脑海里就会蹦出很多对未来的想法。我一边成长，却又迷茫，慢慢的找到了自己感兴趣的东西，也正是这些推动着我学会新知识，开始为了自己的兴趣而忙碌，也在忙碌中渐渐找到了接下来的路途。”

困难中面对失败后提升

“当然会遇到困难，经常是一波未平一波又起。”说到求学路上的困难和失败，虽然满面笑容，却也听得出何文科语气中的一丝无奈。无数次实验出错，无数次的校对有误差，对实验方案的一次次修改，这在何文科看来已经是生活常态，与取得的成果相比，其中所经历的困难与失败更是要多得多。

“困难和挫折的确会消磨一个人的意志，但同时也会让你有更深刻的重新认识，让自己知道什么是自己可以做到的或可以做得更好的，什么是自己需要去学习去提升的。每一段痛苦和挫折都是宝贵的经历，年轻时不要怕犯错误或失败。只有自己经历过后，看待问题的角度和方式才会更深刻，这对自己的成长是有好处的。所以，勇敢地去面对，去经历，然后当再次遇到困难时，你就会感谢过去的自己。”

挫折是在所难免的，但风雨过后总能见彩虹，1994年出生的何文科，已经以第一作者身份发表了Science论文，这也让他对未来增加了更多期待和展望。

积累中坚守为学弟学妹立标

何文科的研究方向是热电材料，是一种实现热能和电能相互转化的功能材料。上世纪50年代，热电材料就在深空探测中成为不可替代的供电电源。现在也应用于汽车工业中尾气的回收利用，便携式的冰箱，可穿戴电子设备等等多方面。此外，作为能源转化材料，其拥有系统体积小、便携、安全、稳定、无噪音、无污染等诸多优点，未来的发展潜力巨大，也是何文科愿意为之奋斗的原因。

“踏实，主动，积极，做事情很认真很踏实，主动找老师纠正自己的错误，重复做很多次实验来验证实验结果的准确性。正是这些品质促进了他的成长。”这是何文科本科指导老师乔秀清对他的评价。从字里行间中可以读出乔秀清老师的自豪感。他的本科同学张伟民说他“有着很积极的生活态度，大气，不拘小节，是一个可以做大事的人。”

导师是大学生学习生活中很重要的一个角色，但更重要的是学生自己对科研执着追求的精神。

乔秀清老师多次强调了“踏实”这个词，称赞何文科在本科学习以及考研过程中所表现出来的踏实劲。

关于何文科的未来，乔秀清老师说:“他有着对科研执着追求的精神和毅力，以后会前途无量。一般读博士的前两年是一个积累的过程，现在他才博士一年级，只发表一篇science论文就已经一鸣惊人了，后两年时间内，他应该还会有其它的成果。待博士3年毕业时一定会成绩斐然。”

乔秀清老师在给学生上课时常鼓励学生以何文科为学习榜样。在她所指导过的学生当中，目前在science上发表文章的仅何文科一人，浓浓自豪感油然而生。

乔秀清老师鼓励材化专业的学生要有信心，21世纪科技发展以信息、能源和材料为三大支柱，而信息、能源更是以材料为载体，材料专业发展前途光明。

何文科所攻读的热电材料正是这其中的热门专业之一，未来可利用热电材料的温差发电技术来进行深空探测。她还感慨学材料专业的人承载着非常多的期望，也有一个非常光明的未来。

她发出呼吁，同学们要有热爱专业的信心与决心，既然作出了选择就要为之努力奋斗。

作为一名90后的时代新青年，何文科决定走上这一条科研的“挑战路”，而这一走也再没停下来，虽然很苦很累，但走这条路上，他无怨也无悔。