熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體材料直接將熱能與電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)。隨著環(huán)境保護(hù)形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，研究和開發(fā)清潔能源已成為全球科學(xué)研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。其中，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)憑借系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物質(zhì)、適用溫度范圍廣等特點(diǎn)，被重點(diǎn)關(guān)注。同時(shí)由于熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是深空探測(cè)器和航天探測(cè)器上不可取代的可靠電源，全球航天強(qiáng)國(guó)無不在這一領(lǐng)域全力投入，以致近年來在全球范圍內(nèi)掀起了熱電能源材料的研發(fā)熱潮。

　　熱電轉(zhuǎn)換效率是衡量熱電材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它主要取決于材料的性能優(yōu)值ZT。從定義可見在一定的溫度T下，具有更大的溫差電動(dòng)勢(shì)S (產(chǎn)生大電壓)，更優(yōu)異的電導(dǎo)率和更低的熱導(dǎo)率的熱電能源材料，其熱電轉(zhuǎn)換效率更高、性能更佳。但由于這幾個(gè)熱電參數(shù)之間存在復(fù)雜的互動(dòng)關(guān)系，使得實(shí)現(xiàn)高熱電優(yōu)值ZT 成為一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)從熱電材料研究和應(yīng)用的大趨勢(shì)來看，還需要兼顧資源儲(chǔ)量和環(huán)境兼容性。所以，即便以目前最好的中溫區(qū)熱電材料碲化鉛 (PbTe) 來說，從資源儲(chǔ)量碲 (Te) 和環(huán)境兼容性鉛 (Pb) 等因素考慮，碲化鉛體系也不具有很強(qiáng)的生命力。所以，研發(fā)一種理想的熱電能源材料，使之同時(shí)具備性能優(yōu)異、儲(chǔ)量豐富且環(huán)境友好等條件要素，成為長(zhǎng)期困擾熱電研究學(xué)者的難題。

　　趙立東教授在美國(guó)西北大學(xué)從事博士后研究期間，開發(fā)了頗具潛力的硒化錫熱電材料。根據(jù)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的一套篩選熱電材料的方法，對(duì)候選材料進(jìn)行了大規(guī)模篩選和對(duì)比研究。期間他發(fā)現(xiàn)硒化錫除了儲(chǔ)量豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)外，還具有比碲化鉛更低的熱導(dǎo)率，而這恰好滿足了熱電材料的低熱傳導(dǎo)要求。趙立東意識(shí)到這是一種非常有潛力的優(yōu)秀熱電能源材料，但是受制于其較弱的導(dǎo)電性能，導(dǎo)致硒化錫長(zhǎng)期被熱電領(lǐng)域所忽視。

　　怎么樣才能改善硒化錫的導(dǎo)電性能？考慮到硒化錫的層狀晶體結(jié)構(gòu)，趙立東大膽地猜想在其層面內(nèi)可能具有不錯(cuò)的導(dǎo)電性能 (電導(dǎo)率主要由載流子遷移率和載流子濃度兩個(gè)因素決定)，并開始嘗試制備硒化錫單晶。研究結(jié)果恰好符合了預(yù)期，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)硒化錫單晶的載流子遷移率是硒化錫多晶的5倍。通過制備硒化錫單晶，在b軸和c軸方向上均能獲得ZT的高性能優(yōu)值 (Zhao et al. Nature 508 (2014) 373)。趙立東的這一發(fā)現(xiàn)迅速在國(guó)際學(xué)術(shù)界引起了廣泛關(guān)注，并很快被西班牙馬德里材料科學(xué)研究所和美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)分別證實(shí)。

　　初戰(zhàn)告捷的趙立東并未就此止步。盡管前期初步研究結(jié)果表明硒化錫是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ膲K體熱電材料，但還存在另一關(guān)鍵問題亟待解決：他發(fā)現(xiàn)硒化錫材料在300-773K溫度范圍內(nèi)ZT值很低，這一點(diǎn)嚴(yán)重限制了硒化錫在300-773K這一重要溫度區(qū)間的使用。這時(shí)，趙立東已入選國(guó)家“青年千人計(jì)劃”，并回國(guó)成為北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院的教授，并擔(dān)任北航國(guó)際交叉科學(xué)研究院熱電能源材料研究室主任。近年來，北航為落實(shí)人才強(qiáng)校戰(zhàn)略，大力推進(jìn)機(jī)制創(chuàng)新，專門設(shè)立了“國(guó)際交叉科學(xué)研究院”人才特區(qū)，實(shí)行國(guó)際化聘任和評(píng)價(jià)機(jī)制，為每位新引進(jìn)的海外優(yōu)秀學(xué)者建立了實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)趙立東教授正式入職北航工作時(shí)，學(xué)校已經(jīng)按照需求為他專門成立并建好了熱電能源材料研究實(shí)驗(yàn)室，讓他在科研工作無縫銜接的同時(shí)，感受到學(xué)校無微不至的關(guān)懷和巨大支持。

   在北航的深入研究期間，趙立東教授經(jīng)過持續(xù)的深入思考和無數(shù)次反復(fù)推導(dǎo)，基本確定整體提高硒化錫的熱電優(yōu)值ZT的思路，只能是提高硒化錫的導(dǎo)電性和溫差電動(dòng)勢(shì)，以求獲得300-773K溫度范圍內(nèi)較高的電傳輸性能。他敏銳地認(rèn)識(shí)到，利用能帶結(jié)構(gòu)是調(diào)控?zé)犭姴牧系膶?dǎo)電性和溫差電動(dòng)勢(shì)的有效方法 (Zhao et al. Energy Environ. Sci. 7(2014) 251, Journal of Materiomics, 1 (2015) 92)，如在碲化鉛體系中兩個(gè)價(jià)帶 (輕價(jià)帶1帶和重價(jià)帶2帶) 的距離僅相距0.15 eV, 1帶和2帶能量對(duì)齊后可使有效質(zhì)量增加，從而提高溫差電動(dòng)勢(shì)。他發(fā)現(xiàn)硒化錫的電子帶結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，多個(gè)價(jià)帶的能量距離很小，如1價(jià)帶和2價(jià)帶的距離僅為 0.06 eV, 1價(jià)帶和3價(jià)帶的距離為0.13 eV, 1價(jià)帶和4價(jià)帶的距離為0.19 eV。當(dāng)費(fèi)米能級(jí)已經(jīng)進(jìn)入4價(jià)帶甚至接近5和6價(jià)帶，這時(shí)就可實(shí)現(xiàn)多個(gè)價(jià)帶同時(shí)參與電傳輸。

　　趙立東對(duì)這一現(xiàn)象做了一個(gè)形象的類比：一條高速公路上有無數(shù)擁擠的車輛時(shí)，車輛行駛的會(huì)非常緩慢；但把同樣數(shù)量的車分配到6條高速公路后，車不但行駛的快而且在單位路面上通過的車量也會(huì)增多。

　　通過這一移動(dòng)費(fèi)米能級(jí)的巧妙方法，不但可以保持相對(duì)較高的載流子遷移率，還使得溫差電動(dòng)勢(shì)提高了5倍，可以讓硒化錫材料在整個(gè)溫度區(qū)間的熱電優(yōu)值ZT得到大幅提升——在300-773K溫度區(qū)間的ZT值從0.1-0.9提高到 0.7-2.0。如果選取300K和773K分別為低溫端和高溫端，硒化錫作為熱電器件的p型材料搭配同樣性能的n型材料，可以產(chǎn)生16.7 %的理論發(fā)電效率。這個(gè)結(jié)果意味著開發(fā)一種同時(shí)具備性能優(yōu)異、儲(chǔ)量豐富而且環(huán)境友好的熱電能源材料已成為可能。

　　趙立東也為這一研究成果感到十分振奮。他以最快的速度將相關(guān)研究過程和數(shù)據(jù)撰寫成文投給了《Science》雜志并很快被接收發(fā)表。趙立東教授出生于1979年，系北京航空航天大學(xué)“卓越百人計(jì)劃”和中組部第六批“青年千人計(jì)劃”入選者。主要從事熱電能源材料、超導(dǎo)材料和低熱傳導(dǎo)氧化物材料的研究。先后獲得遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)士、碩士和北京科技大學(xué)博士學(xué)位。2009至2011年，在法國(guó)巴黎十一大學(xué)物理系從事博士后研究；2011至2014年，在美國(guó)西北大學(xué)化學(xué)系從事博士后研究。迄今已在《Science》《Nature》《Nature Commun.》等國(guó)際著名期刊上發(fā)表SCI論文80余篇、被引用2200多次，授權(quán)和申請(qǐng)美國(guó)專利3項(xiàng)，中國(guó)專利8項(xiàng)。

　　北京航空航天大學(xué)為該工作的第一完成單位（第一作者和通訊作者），合作單位包括美國(guó)西北大學(xué)、南方科技大學(xué)、美國(guó)密西根大學(xué)和美國(guó)加州理工學(xué)院。該工作獲得了中組部 “青年千人計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金 (51571007 ) 項(xiàng)目和北航 “卓越百人計(jì)劃” 的支持。

　　近年來，北航學(xué)者在《Nature》《Science》等國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上均有高水平論文發(fā)表。學(xué)校堅(jiān)持瞄準(zhǔn)國(guó)際學(xué)術(shù)前沿、圍繞國(guó)家戰(zhàn)略需求，加大空天信融合特色的世界一流大學(xué)和一流學(xué)科建設(shè)力度，共有工程學(xué)、材料科學(xué)、物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、化學(xué)五個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的ESI排名進(jìn)入全球前1%。尤其在工程、材料等學(xué)科中形成了多個(gè)等世界一流學(xué)科方向，取得令人矚目的科技創(chuàng)新重大突破。特別是近10年獲得9項(xiàng)國(guó)家級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)一等獎(jiǎng)、3項(xiàng)國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)，創(chuàng)造了一所大學(xué)連續(xù)獲國(guó)家最高等級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)的“奇跡”，被社會(huì)譽(yù)為科技創(chuàng)新的“北航模式”。