11月26日，世界顶级期刊《科学》在线发表了北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、北航国际交叉科学研究院热电能源材料研究室主任赵立东教授为第一作者的学术论文：《Ultra-high power factor and thermoelectric performance in hole doped single crystal SnSe》。 该论文提出应用硒化锡 (SnSe) 材料独有的特殊电子能带结构和多谷效应，可以将SnSe在300-773K宽温区范围内的热电性能大幅提高。这一成果是热电能源材料研究领域的重要进展，使SnSe距离实际应用又迈进了关键一步，也是我国学者在国际学术前沿研究领域的重要突破，标志着我国目前已在这一研究领域处于世界领先地位。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 (注：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《科学》杂志上)。

       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，好的热电材料可以理解为具有很大温差电动势的热电偶。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，我国在该领域总体处于国际前沿水平。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平均ZT优值。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，PbTe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 (Northwestern University) 从事博士后研究期间，发现SnSe除了储量丰富和环境友好等优点外，还具有比PbTe更低的热导率，有望成为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SnSe长期被热电领域所忽视。

        赵立东开始尝试制备SnSe单晶来提升导电性能，进一步的研究发现SnSe单晶的载流子迁移率是SnSe多晶的5倍。通过制备SnSe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)。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 (Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid) 和美国橡树岭国家实验室 (Oak Ridge National Laboratory) 的学者通过实验分别证实。

硒化锡SnSe单晶

       尽管前期初步研究结果表明SnSe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： SnSe材料在300-773K温度范围内ZT值很低（导致平均ZT值低），这一点严重限制了SnSe在300-773K这一重要温度区间的使用（热电转换效率主要由平均ZT值决定）。此前，北航为落实人才强校战略，大力推进机制创新，专门设立了名为“国际交叉科学研究院”的人才特区，为每位新引进的海外优秀人才建立实验室，并实行国际化的聘任和评价机制。赵立东带着这个科学问题来到北航时，他在北航的实验室已经按照他的需求建好了。

硒化锡SnSe的声子和电子传输示意图

       经过无数次反复推导，基本确定整体提高SnSe低温区热电优值ZT的基本思路只能是提高SnSe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。而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PbTe体系中有2个能量相近的价带，能量对齐后可使有效质量增加，从而提高温差电动势。然而SnSe的电子带结构更加复杂，有6个能量相近的价带，当费米能级进入这些价带后就可实现多个价带同时参与电传输。赵立东和他的合作者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SnSe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，SnSe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

        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”。

       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），该工作的合作单位有美国西北大学、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。

       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.》《J. Am. Chem. Soc.》等国际著名期刊上发表SCI论文80余篇。