回国10年间，他4年发表4篇Science！

学术资源大全

来源 | 募格课堂

编辑 | 学术君

从2012年至今，何佳清回国从事科研工作，已经整整10年。

何佳清，南方科技大学物理系讲席教授，理学院副院长，物理系主任。1998年获得武汉大学物理学学士学位；2004年获得武汉大学和德国于利希研究中心联合培养的物理学博士学位，师从著名电子显微镜专家Knut Urban教授和王仁卉教授；博士毕业后2004-2012年先后在美国布鲁克海文国家实验室和美国西北大学工作。

研究方向主要包括透射电子显微术、热电材料和结构与物理性能关联性。2017年获教育部自然科学奖二等奖（排名第1），2018年以来，以通讯作者发表4篇Science论文，并以主要作者合作发表多篇Science论文，专注热电材料，取得系列重大突破。

热电转换技术是一种利用半导体将电能和热能直接转换的清洁能源技术，其中核心材料的热电转化效率一直制约着该技术的进一步发展。

热电材料能够实现热能与电能之间的直接转换，由热电材料做成的器件具有设备构造简单、高服役稳定性、对热源要求低等优势，在低品质环境废热的回收利用领域展现出无可替代的优势，具有极大的应用前景。

然而，当前热电材料较低的性能导致其能量转换效率极大限制了热电技术的商业化应用。热电材料的性能直接由无量纲热电优值zT=S2σT/(κe+κl)来决定，高性能的热电材料需要高的电导率、大的塞贝克系数以及低的热导率，然而这几个材料本征参数之间相互耦合，对某一个参数进行优化时必须兼顾其他性能参数的恶化，因而协同调控热电材料的本征参数以实现热电性能的提升成为热电领域的一个巨大挑战。在热电材料的研究发展历程中，研究者们提出了能带收敛、共振能级、结构纳米化、声子非谐效应、缺陷工程、多尺度化学键、复杂晶体结构以及类液态离子等诸多性能优化策略。

目前，这些策略获得的热电性能还是难以解决热电领域多方面的迫切需要，因此研究人员一直在努力寻找新的突破。

近年来，SnSe（硒化锡）单晶材料因为环保、储量丰富、价格低廉、性能优异而成为热电材料领域的明星。2016年1月8日，南方科技大学赵立东教授在Science上阐述利用调整能带结构来调控p型SnSe的导电性和温差电动势，从而使其热电性能在中低温区实现突破。南方科技大学何佳清教授为主要合作者之一。

研究发现，具有层状结构的SnSe的二维界面对声子具有强烈的散射作用 (图1左)，使得SnSe沿着层间方向具有很低的热导率，在773K温度下可达最小理论值 ~ 0.18 W/mK。寻找低热导率材料和降低热导率是热电领域长期以来提高热电优值ZT的有效途径。

在聚焦SnSe层间低热导率的基础上，如能在此方向上实现高的电传输性能，则可实现高的热电性能。在大电荷密度的基础上，加之连续相变引起的能带结构变化和晶体对称性的提高三个主要因素使得SnSe在层间方向表现出优异的电传输性能，当温度高于700K时，在SnSe的层间方向产生了比层内更优异的“三维电荷”传输效应。这种 “二维声子/三维电荷” 传输特点大幅提高了n型SnSe的热电性能。

2021年7月30日，北京航空航天大学赵立东教授和南方科技大学何佳清教授团队再次合作，在SnSe热电材料中Pb、Na共掺杂，通过调控电子结构，改善了室温热电性能，随后作者考察该材料在热能转化为电能、制冷等方面的应用前景。

目前大多数热电材料的带隙非常窄，作者通过Pb对SnSe晶体进行掺杂修饰，得到了一种能带较宽（Eg=33 kBT）的热电材料，这种材料中通过掺杂Pb实现合金化，因此改善了动量、能量的能带排列，显著提高室温热电性能，在300 K的峰值功率因数达到75 μW cm-1 K-2，品质因数FOM的ZT值达到1.9。作者制作了31个热电器件考察其性能，发现峰值效率达到4.4 %，冷却温差达到45.7 K，证明了宽带系化合物在热电冷却领域的广泛应用前景。

图片来源：南方科技大学新闻网

2021年2月19号，南方科技大学何佳清团队将高熵稳定的策略用于协同调控材料的电、热传输性能，并成功应用于n型硒化铅基热电材料，通过解耦电热传输机制实现了热电性能的大幅提升。

研究人员基于熵驱动的结构稳定效应开发了一种高性能PbSe基高熵合金热电材料并制备了高效率热电发电器件，n型的(Pb,Sn)(Se,S,Te)体系的热电优值zT可以达到1.8，而基于此高熵体系制备的热电发电器件可以实现12.3%的热电转换效率。结合高分辨透射电镜和理论分析，本工作系统研究了熵增加对于结构稳定以及电、热传输性能的影响，有力地指导了高熵概念在高性能热电材料开发中的应用。

图片来源：南方科技大学新闻网

2022年7月8日，南方科技大学何佳清团队在之前研究基础上，进一步将这一优化策略扩展应用到p型碲化锗基热电材料中。在由高熵稳定获得的极低晶格热导率基础上，通过调控电子局域化程度，避免了无序引入对电子传输的影响，从而使高熵碲化锗基材料的电性能得到了显著提升。

这种电性能和热性能的协同优化,极大地提高了材料的热电优值，同时还实现了极高的器件转换效率，有利于高熵稳定概念在高性能热电材料开发中的应用。由于高熵稳定对电子和声子的协同优化，碲化锗基材料的热电优值得到了明显提升，其ZT值可以达到2.7，而采用这种高性能的热电材料，研究团队开发了单级和分级热电发电器件，器件的能量转换效率可以达到10.5%和13.3%，为最高的实验热电转换效率。

此外，何佳清教授作为主要参与者，还有诸多合作成果发表于Science杂志，在此不一一赘述。