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杏彩体育官网“前沿卓越”讲坛:2022年重庆大学前沿院量子材料与器件前沿讲座(五

发布日期:2024-04-18浏览次数:6

  杏彩体育官网“前沿卓越”讲坛:2022年重庆大学前沿院量子材料与器件前沿讲座(五)随着可穿戴设备的飞速发展,迫切需要寻求一种绿色、稳定且可持续的供能方法。柔性热电材料制成的器件可将体温与环境温差发电,有望对可穿戴电子设备进行持续供电。β-AgSe作为一种n型窄带半导体,是一种具有潜在应用价值的室温热电材料,近年来也受到了越来越多的关注。

  本报告主要介绍蔡克峰教授课题组前期对Ag2Se柔性热电薄膜研究的基础上,对实验工艺进行了优化,研究了导电聚合物聚吡咯(PPy)的原位引入对薄膜性能的影响,获得了显著提升的热电性能,同时将薄膜组装成热电器件研究其输出性能。

  蔡克峰,同济大学材料学院教授,博士生导师。1987.7-2001.7在武汉工业大学(现武汉理工大学)材料复合新技术国家重点实验室工作(1995.12-副教授);2001.8-2002.12德国宇航中心材料研究所洪堡学者;2003.1至今同济大学教授。中国材料研究学会热电分会常务理事。先后获教育部优秀青年教师资助计划、上海市引进海外高层次留学人员专项资金及浦江人才计划的资助。参加和承担了科技部、国家自然科学基金委、教育部及上海市等的科研项目十余项。在Nature Communications, Energy & Environmental Science, Progress in Polymer Science, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Energy等杂志发表SCI论文150余篇;获中国发明专利二十余项。主要研究方向:柔性热电材料及其器件,柔性超级电容器材料、新型电池及其器件。

  热力学高熵效应使多组元材料易于形成高对称性晶体结构的固溶体,在调控热电材料的组分含量、晶体结构和电热输运性能方面具有独特的优势。杨君友教授通过AgSbTe2岩盐结构材料的熵驱动合金化处理,实现了诸如GeTe,MnTe等非岩盐结构热电材料向稳定的岩盐结构转变,获得了AgMnSbTe3, AgMnGeSbTe4等岩盐结构半导体材料,禁带宽度约0.3 eV。课题组详细研究了材料的晶体结构(含局域晶体结构),能带结构、微结构以及电热输运性能,发现材料对称性的提高有利于形成多价带顶的复杂能带结构,而随机无序的阳离子占位有利于获得较低的晶格热导率。因此,上述岩盐结构热电材料表现出优异的热电性能,其平均热电优值在较宽温度范围内(如400-773 K)可达0.9左右,为发展高性能热电材料提供了可能的途径。

  杨君友,华中科技大学材料学院教授,博士生导师,杏彩注册副院长。湖北省楚天学者特聘教授,华中科大学“华中学者”特聘教授,中国仪器仪表学会功能材料分会常务理事,中国材料研究学会热电材料分会理事。主要从事半导体热电材料与器件、太阳能电池以及相变热管理等方面的研究工作,主持国家自然科学基金重点、仪器专项等国家及省部级科研项目20余项,在JACS、Adv. Energy Mater.、Nano Energy等学术期刊发表论文180余篇。

  目前主流的热电材料在高温服役时会出现诸如氧化、挥发、相变等情况,导致热电性能和机械强度显著下降甚至热电器件失效,极大地限制了其实际应用。因此,开发兼具高热电性能和高服役稳定性的热电材料成为当前热电领域非常迫切的任务。硅化铁(β-FeSi2)成本低廉,在高温具有优良的抗氧化能力和热力学稳定性,但其热电优值较低,无法满足工业余废热回收对高热电性能的需求。本研究结合理论计算和实验,开展了β-FeSi2热电性能优化与热电器件制备工作。通过第一性原理计算,获得了26种潜在的n型和p型掺杂元素在β-FeSi2中的缺陷形成能,并预测Ir元素可能在β-FeSi2中实现高的掺杂极限。在实验上,通过电弧熔融和两次退火工艺,成功合成了系列含不同Ir掺杂量的β-FeSi2样品,证明其掺杂极限可达16%。热电性能表征发现Fe0.84Ir0.16Si2的热电优值在1000K时达到0.62,约为之前报道最高值的两倍。特别是,Ir掺杂β-FeSi2在空气中表现出优良的抗氧化能力。在1173K空气下老化30天后,Fe0.84Ir0.16Si2的热电性能未出现明显变化。基于兼具高热电性能和高服役稳定性的β-FeSi2基热电材料,本工作进一步制备了新型耐火热电器件。该热电器件在高温下表现出优良的抗氧化能力和稳定的热电转换能力。

  仇鹏飞,中国科学院上海硅酸盐研究所副研究员。主要研究方向为高性能热电材料与器件,在Science、Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy Mater.、杏彩平台appJoule等期刊共发表100余篇论文;全部论文被他引两千余篇次;在Adv. Funct. Mater.和Energy Storage Mater.等杂志发表综述论文5篇;参与撰写两部英文专著中的各一章;获授权中国发明专利10项;作为项目负责人承担国家自然科学基金委优秀青年科学基金、面上基金等项目,入选中科院青年创新促进会(2016)、上海市青年科技启明星计划(2019)和上海市青年拔尖人才(2020)等人才项目,作为第五完获得2020年度上海市自然科学一等奖。

  材料的性质与其微观结构密切相关。因此确定材料的微观结构是开展功能材料设计的基础。但是,由于材料结构势能面的复杂性导致在只给定材料化学组分的条件下,从理论上确定材料的结构是一个极具挑战的难题。王彦超教授研究团队基于群智优化算法,发展了CALYPSO结构预测方法,编写了同名结构预测软件包()。目前,CALYPSO可以开展三维晶体,零维团簇,二维表面重构和层状材料等体系的结构预测研究,并实现了以功能特性为导向的逆向材料结构设计。最近,其团队利用CALYPSO方法开展了系列物质在高压下的晶体结构搜索和实验研究。例如利用CALYPSO发现了含有孤立的V型O3单元的稳定的非常规配比化合物CaO3高压相,并以CaO/Ca和O2为前驱物,在高温高压条件下成功合成出理论预言的CaO3,丰富了臭氧化合物家族。电荷转移分析表明CaO3中的臭氧离子具有-2价,这是首次在臭氧化合物发现[O3]-2阴离子。研究成果不仅为破解“大氧化事件”前氧气缺失谜团提供了新思路,也为理解地球内部氧循环提供了新途径。利用CALYPSO方法提出H2O在高压富氢环境下可能生成了具有反常化学计量比的H3O高压相,揭示了H3O在冰巨行星内部温压条件下以流体导电层形式存在,该研究为阐明天王星和海王星的异常磁场形成的物理机制提供了新思路。

  王彦超,吉林大学物理学院教授,副院长。长期从事计算物理方法和软件研发工作。发展了CALYPSO结构预测方法和软件,被70多个国家的3600余位学者采用;开发了无轨道密度泛函ATLAS计算软件,可实现百万原子量级体系的第一性原理计算。在Nat. Commun.、PRL、PNAS等期刊上发表论文100余篇,总被引10,000余次,第一作者论文单篇最高被引1900余次,H因子39(引用数据取自google学术), 2020-2021连续两年入选爱思唯尔 “中国高被引学者”榜单。2019年和2015年获国家自然科学奖二等奖(第二和第三完);2018年获亚洲高压物理协会“亚洲高压会青年奖”。

  刘德欢,华中科技大学教授。2012年获得大学博士学位,2013年至2014年在大学理论科学研究中心任博士后研究员,2015年至2019年在麻省理工学院陈刚院士课题组任博士后研究员。2019 年入选海外高层次人才引进计划“青年项目”。研究方向为:半导体体系及固态电池中的纳微米尺度能量输运相关课题;具体包括半导体中电子-声子耦合效应、缺陷及合金散射、神经网络势函数在热学及离子输运中的应用、固态电解质的高通量筛选等。

  在过去的30年里,热传导的研究主要关注了半导体和绝缘体,因此对声子和晶格振动导热开展了深入的研究。而在金属、高掺杂半导体材料中,电子热传导起着非常重要的作用,相关的研究却比较有限。一般认为,魏德曼-弗兰茨定律建立了电导率和热导率之间的相关性,这使得电子热导率的计算相对容易。然而,魏德曼-弗兰茨定律成立需要几个重要的假设,包括可忽略的声子贡献、自由电子模型和弹性电子散射。本报告将重点讨论金属和半导体中的电子导热特性。首先,我们使用第一性原理方法研究了不同金属的声子热导率,发现声子导热尽管对多数单质金属影响较小,但是特定的一些金属的热导率有重要贡献。另一方面,在中低温下,严格研究了电子声子散射过程,发现即使在铜和铝等常见金属中,由于非弹性电子声子散射,洛伦兹数也显著降低。此外,结合第一性原理数据和玻尔兹曼传输方程,发现金属纳米结构具有很强的尺寸效应,其尺寸效应主要发生在在几十纳米的数量级。此外,也将探讨低导热的半导体SnSe的电子导热以及本征Si在高温下的双极性电子导热机理。

  鲍华,上海交通大学密西根学院长聘副教授、博士生导师,自然科学基金优秀青年基金获得者。本科毕业于清华大学,博士毕业于美国普渡大学。从事微纳尺度导热和辐射领域的研究,研究成果应用在芯片热管理、热功能复合材料、天空辐射制冷、太阳能综合利用等领域。获上海市自然科学一等奖(排名第2)。担任中国材料与测试标准团体委员会材料基因工程领域委员。在Nature Communications, Nano Energy, Physical Review B等高水平学术期刊发表SCI论文70余篇。在IEEE-NEMS等国内外学术会议上做主旨、邀请报告十余次。主持国家自然科学基金优秀青年基金等国家和省部级项目,以及华为技术有限公司等企业项目。

  人们通常认为只有远低于室温时电子-声子耦合才会影响声子输运性质。近来发现在一些半导体和金属中,在室温附近电声相互作用也能显著影响甚至主导晶格热导率。对石墨烯,主导热导率的ZA声子由于镜面对称性限制并不能被电子直接散射,因此人们并不期待电声散射作用会影响石墨烯的声子输运性质。李武研究员课题组发现了在石墨烯这样的三声子散射由动量守恒的normal过程主导的二维材料中,存在一种间接的电声相互作用机制。由其他声学支(TA和LA)声子作为媒介的ZA声子和电子之间的间接耦合作用能够使得石墨烯的热导率即便在室温也能显著下降。而对双层石墨烯,由于镜面对称性被破坏,电声耦合对热导率的影响会大大增强。其课题组通过计算还成功解释了石墨烯的拉曼线宽随温度增加的温度依赖关系以及不同实验测量值之间存在很大差异的原因。高阶非谐性、声子重整化和电子-声子作用都理解拉曼线宽都至关重要,并且电声耦合可以在很大范围内调节声子线宽。

  李武,深圳大学高等研究院研究员。2006年本科毕业于郑州大学,2011年于中科院物理所获博士学位(德国马普学会联合培养2年)。2011-2013年在法国原子能委员会(CEA)从事博士后研究,2013-2015年作为玛丽居里学者在荷兰SCM公司从事博士后研究,2015年在CEA任研究员。主要从事材料输运性质的理论计算研究,开发的 ShengBTE软件包为研究晶格热导率的国际通用软件,大大推动了声子输运、 微纳尺度传热和热电材料等领域的发展。至今在PRL等期刊发表通讯/第一作者论文 40余篇,论文总引用5400余次(Google Scholar)。入选全球前2%顶尖科学家“终身科学影响力”(2021年)和“年度影响力”(2020、2021年)榜单。

  作为固体中热输运的主要载体,声子是晶格振动能量量子,是用来描述晶格振动的一种准粒子。许多重要的实际应用与器件(如集成电路的散热、热障涂层、热电材料等)都需要有效地控制声子输运。在提升声子输运能力方面,本报告面向电子器件中的热管理,分析使用热界面材料的主动式散射和使用石墨烯散热层的被动式散热两种情况,探讨界面热输运的相关物理机制。在阻碍声子输运能力方面,本报告面向热电材料的结构设计,分别从声子的粒子性和波动性两个层面,提出诱导和增强声子散射和声子局域化的针对性纳米结构设计,阐明在相关结构中声子输运能力降低的机理。

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