5月26日，Science杂志报道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电子制冷材料及器件的研究上取得的最新进展：Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics，该工作提出了“lattice plainification（晶格素化）”概念，通过降低硒化锡（SnSe）晶格中的空位浓度，大幅削弱了晶格缺陷对载流子的散射，实现了载流子迁移率的显著提升。制备的热电器件在300K温差下实现了12.2%的发电效率及室温下61.2K的最大制冷温差。

论文的第一作者为北京航空航天大学2021级硕士研究生刘东锐。通讯作者为北京航空航天大学2019级博士研究生秦炳超、北京航空航天大学赵立东教授。论文第一单位为北京航空航天大学材料科学与工程学院。本文也是国家杰青赵立东教授自2015年以来发表的第8篇Science。

热电制冷技术是一种利用帕尔帖效应直接将电能转换为热能的绿色制冷技术，仅通过调节工作电压和电流就可以实现对制冷量和温度的连续高精度控制。热电制冷技术由于其控温精准、尺寸灵活、结构多样和局部冷却等众多优势，在精确制导、传感器和5G光模块等关键领域具有比传统的机械压缩式制冷技术更强的竞争优势。因此，研发高性能制冷材料，提升制冷器件的制冷效率，对于诸多科技自立自强等关键领域的精确温控具有重要意义。受“成分素化”策略的启发，本工作通过修复晶格缺陷，提高载流子迁移率，即 “晶格素化”。通过在SnSe中引入微量Cu，观察到Cu可填充Sn空位，削弱了Sn空位对载流子的散射。额外的Cu还可以取代晶格中的Sn作为空穴掺杂，并有效促进了多价带Synglisis效应，进一步显著增强了有效质量和载流子迁移率。在室温下实现了~ 100μW cm-1 K-2的超高电传输性能（利于低功耗），以及室温ZT值 ~ 1.5和 平均ZT值 ~ 2.2（300-773K），研究表明SnSe晶体在“发电”和“制冷”两个关键领域均拥有巨大潜力。基于获得的高性能SnSe晶体搭建的热电器件在发电和制冷都表现出优异的性能。与商用Bi2Te3相比，SnSe晶体还具有成本低、储量丰富、环境友好、可加工性能优异、运行功耗小等优势。Science同期还刊登了韩国首尔大学In Chung教授的观点论文“Plainly fixing crystal lattices”，以Highlight形式对本工作进亮点报道。文中多次使用 “game-changer”、“ground-breaking”、“breakthrough”和“milestone”等形容词对本项研究工作给予了高度评价，并指出“晶格素化（lattice plainification）”策略对于新型热电制冷材料的开发和器件的优化提供了范式转变（paradigm shift），且具有里程碑意义。共同参与此项工作的有：北京高压科学中心高翔教授课题组、昆明理工大学葛振华教授课题组、郑州大学王东洋研究员。此项工作主要得到了国家自然基金基础科学中心项目(52388201)、国家自然科学基金自由探索专项项目（52250090）、国家重点研发计划（2018YFA0702100）、国家自然科学基金（51571007、51772012、1212204156）、111引智计划（B17002）等项目的资助，并得到了上海同步辐射光源（SSRF）BL14B1线站、北京航空航天大学高性能计算中心的支持和北航博士生卓越学术基金的资助。北京航空航天大学是新中国第一所航空航天高等学府，现隶属于工业和信息化部。学校紧紧围绕国家战略需求和国际学术前沿，提出了“顶尖工科、一流理科、精品文科、优势医工”学科建设方针，8个学科入选“双一流”建设学科，高峰学科占比达到25%，在航空宇航、仪器、材料、软件、控制、计算机、力学、交通、管工、生医等学科领域具有明显的比较优势，形成了空天信优势突出、理工文医深度交叉、新方向持续引领的学科发展新格局，国防科技主干学科稳居国内一流水平。北航材料科学与工程学院拥有以徐惠彬、王华明、宫声凯、钟群鹏、杜善义（双聘）5名中国工程院院士和10位国家级领军人才为代表的一流师资队伍。近年来，学院紧密围绕国家重大战略需求，瞄准国际学术前沿，在新型功能材料的功能调控新原理、新概念、新方法等基础研究方面，频繁在Science、Nature等顶尖期刊上发表高质量原创性成果。

发布来源：软科综合整理