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他，本硕双非，博士211，如今发表第7篇《Science》！

2022-11-28 15:57:38 0 680

研究背景

热电技术可实现热能和电能之间的直接和可逆转换，包括废热回收和固态冷却。与发电相比，由于珀尔帖效应，热电冷却在精确温度控制、快速响应和尺寸可控性方面具有应用优势。因为它主要在环境温度附近使用，温差很小，所以在大温差下器件故障不再是问题。除了在民用和工业领域使用外，热电冷却在5G通信和电子设备等关键领域的精确温度控制方面也发挥着重要作用。高度集成化和小型化的通信技术和电路系统的发展以及对低功耗的迫切需求对热电冷却的发展提出了更高的要求。

研究成果

北京航空航天大学赵立东教授课题组以“Moving fast makes for better cooling”为题在国际顶级期刊《Science》上发表观点文章，文章提出，从材料的角度来看，热电冷却技术需要在室温附近的高效性能。热电效率可以用无量纲品质因数ZT值表示，其定义为ZT=S²σT/（k_ele+k_lat），其中S、σ、T、k_ele和k_lat是塞贝克系数（热电功率）、电导率、绝对温度以及电子和晶格热导率，热电冷却的关键参数，包括最大温差（ΔT_max）和性能系数（COP），由ZT值强烈决定。遵循E_g=6~10 k_BT（其中E_g为带隙，k_B为玻尔兹曼常数），经过多年努力， Bi₂Te₃基合金已被开发为唯一商业化的热电冷却器，然而，Bi₂Te₃的冷却性能停滞、处理产量低、Te储量低导致的资源枯竭问题越来越成为问题，促使人们发现Bi₂Te₃的潜在替代品。因此，探索更多更好的热电冷却器对于新兴的全球高性能电子设备需求至关重要。

据报道，这是赵立东教授在Science上发表的第7篇文章！厉害！

赵立东，男，教授，博士生导师，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后，在法国Universite Paris-Sud和美国Northwestern University从事博士后研究。2014年入职北航后先后获得了中组部青年人才计划（QQ）、北京市师德先锋、国际热电学会青年科学家、北京市杰青、教育部CJ学者特聘教授、国家杰青、科睿唯安全球高被引学者（2019-2021）、科学探索奖。主要研究兴趣：利用各向异性解耦热传输和电传输的矛盾，开发宽温域高效热电材料。已在Nature和Science等期刊上发表重要论文270余篇，被引用3万余次，H因子80。目前担任《Materials Lab》创刊主编（http://matlab.labapress.com/matlab/）及《Science》杂志评审编辑等。

图文速递

图1. 改进热电冷却

在本质热导率低的材料中，发现不同的热电冷效应影响着热输运性质，这些材料具有强非谐性和原子偏心等特征。除了Bi₂Te₃基材料外，热电冷却器包括镉（Cd）掺杂的AgSbTe₂、Mg₃（Bi，Sb）₂半金属和宽带隙（E_g≈ 33 kBT）硒化锡（SnSe）晶体。这些进步具有重要的科学价值，但实际应用需要性能优化和可靠性验证。开发更好的冷却器的关键和首要前提是提高室温附近的热电性能（见图）。在这个临界温度区域附近，热电输运更多地由电荷载流子散射而不是声子散射所主导。因此，专注于优化载流子迁移率（µ）对于增强电输运特性[功率因数（PF）=S²σ]，从而提高热电冷却性能至关重要。通过包括波段合成、生长晶体、控制晶粒尺寸和操纵原子序无序等策略削弱载流子的散射都被证明是改善µ的有效方法。该策略已在SnSe和 M g₃（Bi，Sb）₂系统中实现。以SnSe为例，与多晶相比，单晶SnSe在载流子浓度和塞贝克系数相近的情况下，表现出具有超高电导率和PF的金属传导行为，尤其是在室温附近，显示出在室温附近具有更好的热电冷却能力的巨大潜力。

除了探索全新系统上的热电冷却性能外，作者认为，使用基本策略提高载流子移动性来提高更传统热电材料的冷却能力非常关键。在传统系统中，在约10¹⁹至10²¹ cm^–3的优化载流子浓度范围内，电输运也受到载流子散射的强烈影响。较少的载流子通常对应于较高的载流子迁移率，较低的载流子浓度通常伴随着较大的塞贝克系数，这有望促进更好的热电性能。为了避免额外的缺陷散射，同时通过从原子置换中引入额外的点缺陷来降低载流子浓度，我们建议使用成分控制策略。

以简单的A⁺B^-化合物为例，例如具有理想机械性能的立方铅硫族化物PbQ[Q=碲（Te）、硒（Se）或硫（S）]，过量的A提供电子并导致戊型传输，而较少的A导致p型传导。这种成分控制可以被视为对材料系统内固有缺陷的人工和精确调节。在此基础上，调节内在缺陷的另一种方法是调整制备和合成过程，我们称之为过程控制。本质上，多晶体的最高合成温度和退火工艺以及晶体的冷却速率都对本征缺陷的数量和类型有实质性影响，这些缺陷可以被激活为n型的施主或p型的受主。因此，将组成与过程控制相结合，我们提出的这种网格设计策略有望通过调节固有缺陷来降低载流子浓度，从而实现超高载流子迁移率和热电性能，尤其是在室温附近。因此，作者期望通过通过相似的成分实现p型和n型的最佳性能，以开发更好的热电冷却器，特别是由于在热电装置设置期间与接触材料的完美兼容性。

结论与展望

根据这种组合过程控制的网格设计策略，以提高载流子迁移率，作者表示，相信在更多的热电系统中可以预期更好的冷却性能。例如，通过缺陷修饰将PbTe中的载流子迁移率提高到约2400 cm² V^–1 s^–1，PbSe中提高到约6000 cm² V^–1s^–1，证实了我们的前景。此外，当我们重新思考并为热电冷却的发展打开一个不同的时代时，重新审视更传统的热源和热源和热源可能具有更大的战略意义。此外，载波移动性优化伴随着导电性的提高，从而实现更低的功率损耗，这对5G通信领域中其他频段的实际应用至关重要。

文献

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade9645

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