降維=>變身！北航這項成果登上《中國科學：材料》封面

2020-08-16 中國青年報

還記得高中課本上這張圖嗎？

一隻小貓蹲在用火燒烤的「玻璃板」上

小貓卻安然無恙

這當然不是一塊普通的玻璃板

而是一塊低熱導材料

這類具有極端熱輸運性質的材料

在許多領域都有重要應用

其製備也是重要研究方向之一

日前，北航材料學院趙立東教授課題組

給塊體材料結構降維，讓熱傳導慢下來

取得低熱導材料研究新進展

成果被中外兩大高水平期刊報導

既是我國材料領域首屈一指的期刊

《中國科學：材料》的封面文章

也被《科學》雜誌亮點報導

《中國科學：材料》期刊封面。Science China Materials （簡稱SCMs，英文月刊），創刊於2014年底，是《中國科學》系列期刊之一，由中國科學院和國家自然科學基金委員會聯合主辦，《中國科學》雜誌社出版，並與Springer出版集團合作面向海外發行。

日前，由中國科學院和國家自然基金委聯合主辦的材料領域權威期刊《中國科學：材料》以封面文章的形式發表了北航材料科學與工程學院趙立東教授課題組在低熱導材料研究上取得的新進展：《Extremely Low Thermal Conductivity from Bismuth Selenohalides with 1D Soft Crystal Structure》(SCIENCE CHINA Materials, 63 (2020) 1759-1768)，並被《科學》雜誌以摘選圖片的形式進行了亮點報導 (Science, 368 (2020) 1325) (圖 1)。

第一作者：王東洋（北航2017級博士研究生），黃志偉（北航卓百博士後）

通訊作者：趙立東

第一單位：北京航空航天大學，材料科學與工程學院

圖1.《科學》雜誌通過選圖亮點報導 (Science, 368 (2020) 1325).

該研究發現了一類由一維鏈狀晶體結構形成的具有超低本徵熱導率的化合物BiSeX (X = Br, I) (圖 2)，採用第一性原理計算、中子衍射、原位球差電鏡等結合理論、實驗和表徵的方法，揭示了一維結構賦予BiSeX超低熱導率的傳輸機制，提供了一種在塊體材料中尋找超低熱導率材料的新思路。

圖2.(a)BiSeI的一維鏈狀晶體結構，(b)STEM下BiSeI材料中的納米線結構

具有極端熱輸運性質的材料在熱管理方面具有重要的應用價值，如：電子通訊的散熱領域對具有超高熱導的材料有迫切需求，與此相反，超低熱導材料在隔熱和溫差發電等領域具有巨大的應用潛力。超高熱導率的材料通常具有較為簡單的晶體結構、較小的分子質量、較強的成鍵作用以及較弱的非諧振效應。與之相反，傳統的低熱導材料通常需要材料具有較為複雜的晶體結構、較大的分子質量、較大的單胞體積和較強的非諧振效應。北航趙立東教授課題組在前期的工作中發現：二維非對稱的層狀晶體結構材料具有較強的非諧振效應，從而導致了低的熱傳導(Nature508 (2014) 373-377)。基於低熱導特性，通過調控複雜能帶結構優化了電傳輸特性(Science351 (2016) 141-144，Science360 (2018) 778-783，Science365 (2019) 1418-1424)。通過解決導電和導熱的矛盾，逐漸形成了在寬帶隙材料中尋找高效熱電材料的研究思路，克服了由於窄帶隙而引起的高效熱電性能局限在窄溫域的困難(Science367 (2020) 1196-1197)。

該課題組近期的研究興趣主要集中在：在寬帶隙半導體中，通過降低晶體結構的維度篩選低熱導率材料，進而利用輸運性質的各向異性解決導電和導熱的矛盾，開發新型熱電材料。研究對比發現IV-VI族化合物中三維立方結構的PbTe、PbSe和SnTe具有較高的熱導率。隨著晶體結構從三維降低到二維和一維，層間和鏈間的散射作用抑制了聲子傳輸，從而降低了熱導率。對於一維鏈狀結構的BiSeX， Bi和滷素離子X1-的弱成鍵作用進一步降低了熱導率，形成了一維的「軟」鏈狀，即在晶體的三個軸向的化學鍵均為弱結合，表現出近似零維的晶體結構特徵。該特殊的結構使BiSeI的熱導率接近於理論最小值，達到了~ 0.27 Wm-1K-1，顯著低於眾多具有低熱傳導特徵的塊體材料(圖3)。

圖3. (a) IV-VI族化合物的熱導率隨著晶體結構的維度從三維、二維到一維逐漸降低，一維 「軟」鏈狀結構使BiSeX (X = Br, I)具有更低的熱導率；(b) BiSeX (X = Br, I)的熱導率顯著低於眾多低熱導材料，接近於理論最小值

為了闡明BiSeX的低熱導率機制，採用第一性原理計算、中子衍射、原位球差電鏡表徵相結合的方法對比研究了二維層狀結構的Bi2Se3、一維鏈狀結構的Sb2Se3和BiSeX的晶體結構和成鍵特性(圖4)。研究表明，Bi和滷素離子之間具有弱的成鍵作用，一維鏈內的弱鍵結合導致BiSeX具有更強的非諧振效應、較低的聲子速度和較大的原子位移(中子衍射和原位球差電鏡表徵均證實)。該工作提出了一種在具有一維晶體結構的材料中尋找低熱傳導特性的新思路，在熱電材料和熱障塗層材料等低熱傳導需求領域具有廣闊的應用前景。

圖4.(a, d) 二維Bi2Se3、(b, e) 一維Sb2Se3以及 (c, f) 一維BiSeI的低維結構示意圖和相應的晶體結構。(g-i) 分別是Bi2Se3, Sb2Se3和BiSeI的晶體結構。(j-l) 分別是沿著鏈方向的投影電子局域函數(ELF)。電子局域函數的等值面設置為0.9

該工作得到了國家重點研究發展計劃 (2018YFA0702100)，國家自然科學基金 (51772012，51632005)，國家傑出青年科學基金 (51925101)，北京市傑出青年科學基金(JQ18004)，中國博士後科學基金 (2019M650429) 以及教育部111引智計劃 (B17002) 的共同資助。

從前文的介紹中不難看出

趙立東教授課題組

已經多次發表Nature、Science等頂級期刊了

研究成果解決國際難題

厲害了！

一起跟小萱再認識一下

這次研究成果的作者吧

2014年入職北航卓越百人計劃；2016年北京市師德先鋒；2017年國際熱電學會青年科學家；2018年北京市傑青項目獲得者；2018年度長江學者特聘教授；2019年國家傑青項目獲得者；2019年全球高被引學者。主要研究興趣：開發寬帶隙高效熱電材料，並利用其各向異性解耦熱傳輸和電傳輸的矛盾。

2014年和2017年分別獲得河南師範大學物理學專業理學學士和理學碩士學位。2020年6月博士畢業於北京航空航天大學材料學專業，師從趙立東教授，獲得工學博士學位。2020年度博新計劃獲得者。主要從事熱電輸運性質的物理機制研究以及新型高性能熱電材料的設計和篩選，已發表SCI論文10篇（其中第一作者5篇）。

2011年本科畢業於吉林大學應用化學專業，獲得工學學士學位。2018年1月博士畢業於中國科學院大連化學物理研究所物理化學專業，師從姜鵬研究員、包信和院士，獲得理學博士學位。2018年3月進入北京航空航天大學從事博士後研究工作，師從趙立東教授。主要研究硒化鉛基熱電材料，目前在熱電材料領域共發表SCI論文12篇，申請國家發明專利2項。

來源：北京航空航天大學

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