撰稿 | 不語
編排 | 魚兒自己
熱電材料是一種利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料
。人們對熱電材料的認識具有悠久的歷史。1823年，德國人塞貝克（Seebeck）發現了材料兩端的溫差可以產生電壓，也就是通常所說的溫差電現象。1834年，法國鐘錶匠珀耳帖（Peltier）在法國《物理學和化學年鑑》上發表了他在兩種不同導體的邊界附近（當有電流流過時）所觀察到的溫差反常的論文。
這兩個現象
表明了熱可以致電，而同時電反過來也能轉變成熱或者用來製冷，這兩個現象分別被命名為塞貝克效應和珀耳帖效應
。它們為熱電能量轉換器和熱電製冷的應用提供了理論依據。在環境汙染和能源危機日益嚴重的今天，進行新型熱電材料的研究具有很強的現實意義。
熱電材料傳遞熱量和電能，因此它們有利於發電或冷卻應用。許多這些材料都有較窄的帶隙，特別是用於冷卻應用。
電子製冷具有無噪聲、無振動、不需製冷劑、體積小、重量輕等特點，且工作可靠，操作簡便，易於進行冷量調節，可用於耗冷量小和佔地空間小的場合，如電子裝置和無線電通訊裝置中重要元件的冷卻，這對於未來通訊、5G晶片的微型電子器件等科技自立自強、引領前沿領域的精確溫控具有重要意義。
2
021年7月30日，
北京航空航天大學趙立東
及
南方科技大學何佳清
共同通訊在
Science
線上發表題為
Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignment
s
的研究論文。
該研究
透過Pb合金化開發了具有寬頻隙 (Eg ≈ 33 kBT) 的SnSe 晶體，並且具有有吸引力的熱電效能。
鉛合金化促進的動量和能量多帶對齊導致在 300 K 時具有~75 μW cm-1 K-2 的超高功率因數，以及平均品質因數 ZT為~1。90。該研究發現 31 對熱電器件可以產生 ~4。4% 的發電效率和 ~45。7 K 的冷卻 ΔTmax。
這些結果表明寬頻隙化合物可用於熱電冷卻應用
。
總之，本工作首次嘗試了基於SnSe晶體材料的多對熱電器件的裝配與效能表徵，結果表明
其能夠實現顯著的溫差發電效率和通電製冷效能。這一研究表明寬頻隙SnSe晶體可作為電子製冷材料的巨大潛力。且SnSe材料具有成本低、儲量豐富和重量小等優勢，具有十分重要的應用價值。
此外，2021年7月8日，
Science
雜誌以First Release和全文Research Article的形式線上發表了
北航材料學院趙立東教授課題組
在電子製冷材料及器件的研究上取得的新進展
Momentum and energy multiband alignment enable power generation and thermoelectric cooling
。
該研究
採用協同調控動量空間和能量空間的多價帶傳輸策略，實現了P型SnSe晶體效能的大幅提升；並搭建了基於SnSe晶體材料的器件，不但實現了溫差發電，還實現了大溫差的電子製冷
。通常認為能帶間隙
E
g
在 （6-10）
k
B
T
（其中
k
B
為玻爾茲曼常數和T為開氏溫度）範圍內的材料為理想的製冷材料，但本工作表明
能帶間隙約為33
k
BT的SnSe晶體材料也具有電子製冷的巨大潛力，且具備成本低、儲量豐富和重量小等優勢
。
2020年3月13日，
Science
雜誌發表了
趙立東教授課題組
題為
Seeking new， highly effective thermoelectrics
的文章，該文章全面闡述了作者在熱電材料方面的研究觀點。
文章
提出了篩選新型高效熱電材料的規則
：大頻寬、層狀和低對稱性晶體材料。同時具有以上特徵的半導體材料有望成為下一代高效熱電材料。
2019年9月27日，北京航空航天大學趙立東課題組在
Science
線上發表題為
High thermoelectric performance in low-cost SnS0。91Se0。09 crystals
的研究論文。
該研究發現並利用
硫化錫（SnS）的多個能帶隨著溫度的演變規律，透過引入Se最佳化調控了有效質量和遷移率的矛盾，在儲量豐富、成本低廉、環境友好的SnS晶體材料中實現了高的熱電效能 。
2018年5月18日，北京航空航天大學
趙立東
與南方科技大學
何佳清
共同通訊在
Science
線上發表題為
3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals
的研究論文。
該研究顯示773開爾文平面外的n型硒化錫（SnSe）晶體的最大ZT為2。8±0。5。層狀SnSe晶體中的熱導率在平面外方向上最低（2D電荷傳輸）。該研究用溴摻雜了SnSe，製得了具有重疊層間電荷密度（3D電荷傳輸）
的
n型SnSe晶體。連續的相變會增加對稱性，並使兩個會聚的導帶發散。這兩個因素改善了載流子遷移率，同時保留了較大的塞貝克係數。
該研究發現可應用於2D分層材料中，並提供了一種新的策略來增強平面外電傳輸效能而不會降低熱效能。
2016年1月8日，北京航空航天大學
趙立東
及美國西北大學Mercouri G。 Kanatzidis共同通訊在
Science
線上發表題為
Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe
的研究論文。
該研究報告了創紀錄的ZTdev1.34，在孔摻雜硒化錫（SnSe）晶體中ZT從0.7到2.0在300到773開爾文之間實現。
卓越的效能來自超高功率因數，超高功率因數歸因於SnSe中存在的多個電子價帶的貢獻，而實現的高電導率和強大的塞貝克係數。
SnSe是在低溫和中溫範圍內用於能量轉換應用的強大熱電候選物。
趙立東簡介：
趙立東，1979年生於哈爾濱。2001和2005年先後獲得遼寧工程技術大學學士和碩士學位。2009年獲得北京科技大學材料學博士學位。2009-2014年先後在巴黎十一大學和美國西北大學從事博士後研究。2014年入職北航卓越百人計劃。2016年獲北京市師德模範稱號。2017年獲國際熱電學會青年科學家獎。2018年獲北京市傑出青年基金專案支援。
主要研究興趣為熱電能源轉換材料，發現了多種具有層狀結構的高效熱電材料（BiCuSeO， SnSe， SnS等），利用層狀各向異性協同調控複雜耦合的熱電引數。已在Science、Nature、Chem。 Rev。、J。 Am。 Chem。 Soc。、Adv。 Mater。、Energy Environ。 Sci。等期刊上發表SCI論文170餘篇，被引用12000餘次。授權美國專利1項，國家發明專利10餘項。