鑽石舞台

江彬彬，電子科技大學(深圳)高等研究院研究員、博士生導師，深圳市國家級領軍人才（2021-2026年），2022年「深圳青年五四獎章」獲得者。

主要從事熱電材料與器件領域的研究，代表性成果包括：

1）在熱電技術研究方面提出了高熵穩定熱電材料突破性概念，為大幅提升材料的熱電性能指出優化策略；

2）開發適用於中溫區熱電器件的全流程製備工藝和相關材料，為熱電技術從材料邁向器件應用奠定基礎。

4年前，博士畢業前夕，接連失敗的實驗，讓他在黑暗中看不到希望，差點放棄科研去企業工作。「有時候到了凌晨兩三點，實驗失敗了，就會處於奔潰的邊緣。」

反覆權衡之後，他還是遵從內心的熱愛，選擇從事前沿科學研究，博士畢業後來到南方科技大學何佳清教授課題組進行博士後研究，專注一個關鍵科學難題，以第一作者連續2次在Science報道研究成果，成為國際熱電材料領域最活躍的青年科學家之一。

說明：以下學術內容，來源於南方科技大學新聞網

熱電材料能夠實現熱能與電能之間的直接轉換，由熱電材料做成的器件具有設備構造簡單、高服役穩定性、對熱源要求低等優勢，在低品質環境廢熱的回收利用領域展現出無可替代的優勢，具有極大的應用前景。然而，當前熱電材料較低的性能導致其能量轉換效率極大限制了熱電技術的商業化應用。熱電材料的性能直接由無量綱熱電優值zT=S2σT/(κe+κl)來決定，高性能的熱電材料需要高的電導率、大的塞貝克係數以及低的熱導率，然而這幾個材料本徵參數之間相互耦合，對某一個參數進行優化時必須兼顧其他性能參數的惡化，因而協同調控熱電材料的本徵參數以實現熱電性能的提升成為熱電領域的一個巨大挑戰。在熱電材料的研究發展歷程中，研究者們提出了能帶收斂、共振能級、結構納米化、聲子非諧效應、缺陷工程、多尺度化學鍵、複雜晶體結構以及類液態離子等諸多性能優化策略。目前，這些策略獲得的熱電性能還是難以解決熱電領域多方面的迫切需要，因此研究人員一直在努力尋找新的突破。

2021年2月19號，南方科技大學何佳清團隊將高熵穩定的策略用於協同調控材料的電、熱傳輸性能，並成功應用於n型硒化鉛基熱電材料，通過解耦電熱傳輸機制實現了熱電性能的大幅提升。（江彬彬為第一作者）

研究人員基於熵驅動的結構穩定效應開發了一種高性能PbSe基高熵合金熱電材料並製備了高效率熱電發電器件。結合高分辨透射電鏡和理論分析，本工作系統研究了熵增加對於結構穩定以及電、熱傳輸性能的影響，有力地指導了高熵概念在高性能熱電材料開發中的應用。

高熵合金概念作為材料領域的新興研究方向，已經在結構材料領域展現出巨大的應用前景。基於高熵合金迥異於傳統合金的相轉變和相組成、高度無序的原子分布以及擴展的性能調控空間，這一概念在功能材料領域也逐漸展現出廣闊的研究空間。針對多主元高熵合金，熵增加所導致的系統能量改變能夠擴展合金元素的固溶度極限，也即以熵為驅動力，通過擴展相空間以增加材料性能調控空間。此外，熵增加所導致的原子分布的高度無序能夠在材料中引入強烈的晶格扭曲，從而改變固體材料聲子傳輸路徑，降低材料的晶格熱導率。因此，基於熱電材料的電、熱傳輸行為，高熵概念可能成為一種有效優化熱電材料性能的新策略。

圖片丨來源於南方科技大學新聞網

研究人員提出針對分相的多元素固溶體，增加元素的種類以提高系統熵值從而實現晶體結構的穩定，並獲得元素分布均勻的單相高熵固溶體。這種系統熵所驅動的結構穩定現象可以增大元素在材料中的固溶度，獲得使用傳統固溶方法難以得到的新型高熵材料體系，還能增大材料性能的調控優化組分空間。具體而言，針對PbSe基熱電材料，在Se位固溶S和Te將會得到調幅分解的多相混合物，在此基礎上，在Pb位引入Sn將會導致系統熵值的迅速增加，其增加速度遠快於構型焓的增加，因而導致系統中熵主導體系吉布斯能的變化，獲得了負吉布斯能的結構穩定組成，即實現結構穩定的單相高熵材料。

在結構穩定的單相高熵材料中，減少調幅分解相界面對於電子傳輸過程的散射，能有效保證材料本身的高電學性能。而基於高分辨透射電鏡對於原子位置和晶格扭曲的直接觀察和應變分析，研究團隊發現系統熵的增加會在材料中引入彌散分布的多尺度多類型晶格應變，特別是會引入不同於低熵材料的晶格切應變。這種熵導致的晶格應變極大幹擾了熱聲子在晶格中的傳輸，實現了極低的晶格熱導率。基於這種熵調控對於材料電熱傳輸性能的優化，將會有效提升傳統熱電材料的熱電性能。在本工作中，n型的(Pb,Sn)(Se,S,Te)體系的熱電優值zT可以達到1.8，而基於此高熵體系製備的熱電發電器件可以實現12.3%的熱電轉換效率。

2022年7月8日，南方科技大學何佳清團隊在之前研究基礎上，進一步將這一優化策略擴展應用到p型碲化鍺基熱電材料中。在由高熵穩定獲得的極低晶格熱導率基礎上，通過調控電子局域化程度，避免了無序引入對電子傳輸的影響，從而使高熵碲化鍺基材料的電性能得到了顯著提升。這種電性能和熱性能的協同優化,極大地提高了材料的熱電優值，同時還實現了極高的器件轉換效率，有利於高熵穩定概念在高性能熱電材料開發中的應用。（江彬彬、王戊為共同第一作者）

圖片丨來源於南方科技大學新聞網

在碲化鍺基材料中，通過高熵策略在鍺原子位置上引入多種元素，導致晶格發生扭曲，引起電子發生重排，從而改變了電子的局域化程度。研究團隊採用DPC-STEM技術來表徵這種材料中電子的轉移和重排，發現在純的碲化鍺材料中，鍺和碲原子之間的電子存在很強的耦合效應，而通過多元素固溶的高熵碲化鍺能夠穩定晶體結構，鍺原子會從菱形的偏離中心位置向幾何中心位置移動，從而實現不同原子之間耦合電場的解耦效應。這種由於高熵穩定現象導致的電場解耦效應能夠避免電子的局域化現象，通過將共價鍵的局域電子轉變為超價鍵的非局域電子來促進電子長程傳輸，從而實現對電性能的提高。基於對碲化鍺基高熵熱電材料電傳輸性能的測定以及由於高熵穩定導致的電子非局域現象，研究團隊發現材料的功率因子不僅沒有下降，反而在中低溫區獲得了大幅提升。

這種高熵穩定現象在大幅提升中低溫區電傳輸性能的同時，仍然能夠大幅降低晶格熱導率。其具體機制除了晶格扭曲以外，還包括由於高無序度存在所導致的聲子局域現象。基於拉曼光譜和聲速測定，研究團隊發現碲化鍺基材料中的聲子長程輸運被限制，也即聲子被局域在分立的頻率模式，難以相互共振交換熱量。同時，橫波聲子對這種局域效應更為敏感，而縱波聲子則相對不敏感，這將會造成橫波聲子的軟化。基于格林奈森參數的數學表達形式，橫波聲子的軟化導致了強非簡諧效應，表明聲子散射的倒逆過程將會大幅增強，這是高熵穩定碲化鍺基材料晶格熱導率大幅降低的一個重要原因。

由於高熵穩定對電子和聲子的協同優化，碲化鍺基材料的熱電優值得到了明顯提升，其ZT值可以達到2.7，而採用這種高性能的熱電材料，研究團隊開發了單級和分級熱電發電器件，器件的能量轉換效率可以達到10.5%和13.3%，為最高的實驗熱電轉換效率。

如今，32歲的江彬彬已經成為了雙一流大學的博士生導師。回望2018年博士畢業前夕的迷茫，似乎是大夢一場。

祝

每一位追夢人

都有美好的未來

參考文獻：

【1】Binbin Jiang et al. High-entropy-stabilized chalcogenides with high thermoelectric performance. Science 2021, 371, 830-834.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe1292

【2】Binbin Jiang et al. High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics. Science, 2022, 377, 208-213.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq5815

來源：納米人

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