本文來源：三峽大學（ID：ctguedu）募格學術??來源：北京航空航天大學 三峽大學報
2019年9月27日，國際頂尖期刊《科學》（Science）雜志在線以全文Article的形式發表了北京航空航天大學材料科學與工程學院趙立東教授課題組在熱電材料研究上取得的新進展，北京航空航天大學在讀博士生、三峽大學本科畢業生何文科為第一作者。
熱電轉換技術是一種利用Seebeck效應（溫差發電）和Peltier效應（通電制冷）實現電能與熱能相互轉換的技術，具有系統體積小、無運動部件、無磨損、無噪音和無污染等諸多優點，在廢熱發電和電子制冷等關鍵領域有著重要的應用，如利用熱電材料的溫差發電技術是深空探測中不可替代的能源技術。
熱電轉換效率是衡量其熱電材料性能的重要參數，由熱電性能優值（ZT值）決定，其中：
所以，性能優異的熱電材料應同時具有大的溫差電動勢S（維持大的溫差電壓）、高的電導率σ（減少焦耳損耗）和低的熱導率κ（保持大的溫差）。然而這些熱電參數是相互糾纏耦合的，嚴重制約了ZT值的提高，有效地調控這些復雜耦合的熱電參數是提高ZT值和轉換效率的關鍵。近年來，提高ZT值的策略層出不窮：如通過點缺陷、位錯、界面、結構納米化等多尺度缺陷設計降低熱導率（κ）；調整電子能帶結構、晶體結構對稱性、相轉變等實現高的電傳輸性能引入磁性納米粒子實現電-聲-磁協同調控；直接尋找具有本征低熱導κ或高功率因子PF的熱電材料：
2014年，SnSe被發現是一種具有強非簡諧效應的熱電材料后?(Nature 508 (2014) 373-377)，又相繼發現了SnSe的多價帶傳輸特性（Science 351 (2016) 141-144）和SnSe的面外方向“二維聲子?/?三維電荷”傳輸特性（Science 360 (2018) 778-783）。與此同時，該課題組近年來以開發低成本、環境友好、儲量豐富的熱電材料為目標。與同IV-VI族熱電材料相比（PbTe, PbSe, PbS, SnTe, SnSe，其中Te的儲量豐度是0.001ppm，Se為0.05ppm，S為420ppm），可見SnS是具備以上特征的最具吸引力化合物之一，但面臨的挑戰是如何改善SnS的電傳輸性能（電導率和溫差電動勢）。由于硫化物的強電負性和寬帶隙，一直不被認為是一種電的良導體。經過2年的探索研究，摸索出了SnS晶體的生長方法，通過利用晶體的各向異性，在層內方向獲得了高于多晶材料（J. Mater. Chem. A, 2 (2014) 17302-17306）10-15倍的遷移率（J. Mater. Chem. A, 6 (2018) 10048-10056），成功地改善了SnS的電導率。
熱電材料不但需要好的電導率，也需要大的溫差電動勢，這是一對受載流子濃度制約的矛盾。本次工作主要集中在溫差電動勢和電導率的優化上，即有效質量m*和遷移率μ的協同調控（也是一對矛盾），調控優化程度可由品質因子β來衡量。
實驗上，首先通過變溫同步輻射測試獲得了不同溫度下的原子占位信息，結合電子能帶結構計算，研究發現在SnS材料中存在多個價帶隨溫度的協同互動（示意圖如下）。
即多個價帶經歷了收斂（增加有效質量和減小遷移率），相交（收斂與分離），以及分離（減小有效質量和增加遷移率）三個過程。進一步研究發現，這一多價帶隨溫度的演變過程可以通過在SnS中引入Se實現增強，如下圖所示。
通過能帶結構調控（固溶Se），使價帶尖銳化，同時更多的價帶參與傳輸，進一步增強電輸運性能。
同時發現，Se的引入還可使多價帶尖銳化（減小有效質量和增加遷移率），而且還可促進更多的價帶（第四個價帶）參與傳輸（維持較大的有效質量）。引入Se后，在遷移率提升的同時，維持了大的有效質量，從而獲得了大的品質因子β，使SnS晶體在整個溫區內實現了很高的電傳輸性能，甚至優于具有多價帶傳輸特性的SnSe晶體（Science 351 (2016) 141-144）。SnS晶體的最大ZT值從 ~ 1.0提高到 ~ 1.6，整個溫區內平均ZT值達到 ~ 1.25。與同IV-VI族熱電材料相比，SnS是一種環境友好（environmentally-friendly）、高效（high-efficiency）、高性價比（cost-effective）的熱電材料，在未來大規模的熱電器件應用中極具吸引力。
https://science.sciencemag.org/content/365/6460/1418
?2019年10月，何文科曾接受《三峽大學報》采訪，以下為采訪全文
何文科，男，1994年出生于湖北省仙桃市。2016年本科畢業于三峽大學，并獲得優秀畢業生稱號。同年9月考取北京航空航天大學碩士研究生，進入趙立東教授課題組，并于2018年繼續攻讀博士學位。研究生期間，主要研究硫化錫（SnS）層狀結構材料的制備及其熱電傳輸性能的研究，目前共發表SCI論文6篇（其中第一作者2篇），申請國家發明專利1項。
“很多人在踏入大學時都很迷茫，有些人渾渾噩噩的度過了，而有些人找到了人生方向，不同的人有不同的選擇，從而造成的結果也就不同。”何文科在回北京的火車上接受采訪時如此說道，這是他對自己求學生涯的回顧自審，也是一種經驗的分享。
“每個人到達一個新的陌生環境都會感到迷茫，與此同時，也會對未來的生活有一種期待。這時候腦海里就會蹦出很多對未來的想法。我一邊成長，卻又迷茫，慢慢的找到了自己感興趣的東西，也正是這些推動著我學會新知識，開始為了自己的興趣而忙碌，也在忙碌中漸漸找到了接下來的路途。”
?“當然會遇到困難，經常是一波未平一波又起。”說到求學路上的困難和失敗，雖然滿面笑容，卻也聽得出何文科語氣中的一絲無奈。無數次實驗出錯，無數次的校對有誤差，對實驗方案的一次次修改，這在何文科看來已經是生活常態，與取得的成果相比，其中所經歷的困難與失敗更是要多得多。
“困難和挫折的確會消磨一個人的意志，但同時也會讓你有更深刻的重新認識，讓自己知道什么是自己可以做到的或可以做得更好的，什么是自己需要去學習去提升的。每一段痛苦和挫折都是寶貴的經歷，年輕時不要怕犯錯誤或失敗。只有自己經歷過后，看待問題的角度和方式才會更深刻，這對自己的成長是有好處的。所以，勇敢地去面對，去經歷，然后當再次遇到困難時，你就會感謝過去的自己。”
挫折是在所難免的，但風雨過后總能見彩虹，1994年出生的何文科，已經以第一作者身份發表了Science論文，這也讓他對未來增加了更多期待和展望。
何文科的研究方向是熱電材料，是一種實現熱能和電能相互轉化的功能材料。上世紀50年代，熱電材料就在深空探測中成為不可替代的供電電源。現在也應用于汽車工業中尾氣的回收利用，便攜式的冰箱，可穿戴電子設備等等多方面。此外，作為能源轉化材料，其擁有系統體積小、便攜、安全、穩定、無噪音、無污染等諸多優點，未來的發展潛力巨大，也是何文科愿意為之奮斗的原因。
“踏實，主動，積極，做事情很認真很踏實，主動找老師糾正自己的錯誤，重復做很多次實驗來驗證實驗結果的準確性。正是這些品質促進了他的成長。”這是何文科本科指導老師喬秀清對他的評價。從字里行間中可以讀出喬秀清老師的自豪感。他的本科同學張偉民說他“有著很積極的生活態度，大氣，不拘小節，是一個可以做大事的人。”
導師是大學生學習生活中很重要的一個角色，但更重要的是學生自己對科研執著追求的精神。喬秀清老師多次強調了“踏實”這個詞，稱贊何文科在本科學習以及考研過程中所表現出來的踏實勁。關于何文科的未來，喬秀清老師說:“他有著對科研執著追求的精神和毅力，以后會前途無量。一般讀博士的前兩年是一個積累的過程，現在他才博士一年級，只發表一篇science論文就已經一鳴驚人了，后兩年時間內，他應該還會有其它的成果。待博士3年畢業時一定會成績斐然。”喬秀清老師在給學生上課時常鼓勵學生以何文科為學習榜樣。在她所指導過的學生當中，目前在science上發表文章的僅何文科一人，濃濃自豪感油然而生。
喬秀清老師鼓勵材化專業的學生要有信心，21世紀科技發展以信息、能源和材料為三大支柱，而信息、能源更是以材料為載體，材料專業發展前途光明。何文科所攻讀的熱電材料正是這其中的熱門專業之一，未來可利用熱電材料的溫差發電技術來進行深空探測。她還感慨學材料專業的人承載著非常多的期望，也有一個非常光明的未來。她發出呼吁，同學們要有熱愛專業的信心與決心，既然作出了選擇就要為之努力奮斗。
作為一名90后的時代新青年，何文科決定走上這一條科研的“挑戰路”，而這一走也再沒停下來，雖然很苦很累，但走這條路上，他無怨也無悔。
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