“雙一流”一系，同天發(fā)2篇Science！
“雙一流”一系，同天發(fā)2篇Science！
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青塔-大學(xué)從未如此有料
2024年4月5日， 國際頂級期刊Science同時上線了兩篇來自南方科技大學(xué)物理系的研究論文 。 物理系講席教授何佳清團隊 發(fā)表了題為“Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe”的文章，闡述了他們通過新的物理機理而獲得高性能熱電材料。 南科大物理系、粵港澳大灣區(qū)量子科學(xué)中心林君浩副教授課題組 與合作團隊發(fā)表了題為“Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites”的文章，記錄了他們在二維全有機鈣鈦礦的設(shè)計、合成和結(jié)構(gòu)解析方面取得的重大突破。
在兩位教授看來，此次同登頂刊，既是一次巧合，也在情理之中。一顆種子從萌芽到開花，過程充滿了艱險與變數(shù)。身為科研工作者，他們都已習(xí)慣帶領(lǐng)團隊專注當下，默默耕耘，集中力量攻克難關(guān)。經(jīng)歷過無數(shù)個奮斗的日夜，科研的種子終于同時開出了絢爛的花朵，這一系列突破性成果的發(fā)表是對他們辛勤付出的最大肯定。
在此次工作中，何佳清團隊 首次發(fā)現(xiàn)并驗證了空穴載流子捕獲和釋放機制和其對材料電性能的調(diào)控作用 ，以及調(diào)控材料本證鉛空位形態(tài)的贗納米結(jié)構(gòu)對材料熱輸運的抑制作用。團隊利用材料晶格畸變實現(xiàn)了空穴載流子的動態(tài)調(diào)控優(yōu)化電性能，誘導(dǎo)材料本征點缺陷制造廣泛分布的贗納米結(jié)構(gòu)優(yōu)化熱性能， 這兩種策略均為其他熱電材料的性能優(yōu)化提供了可行的思路 。同時，熱電器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和轉(zhuǎn)換效率的提升， 也有助于推動熱電發(fā)電器件的發(fā)展和應(yīng)用 。
“這是我們組長期探索熱電材料性能優(yōu)化機理、構(gòu)效關(guān)系和器件設(shè)計的結(jié)果。熱電材料中含有大量納米第二相對于中高溫區(qū)的熱電材料來說是不利的，因為第二相和基體材料之間具有較大的膨脹系數(shù)差異，長時間在高溫下工作或誘導(dǎo)材料內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中和相互元素擴散，從而導(dǎo)致材料性能衰減?！睋?jù)何佳清介紹，他們在碲化鉛材料中構(gòu)造了大量的納米級空位團簇，這些團簇在材料中產(chǎn)生了大量的應(yīng)力和應(yīng)變，使材料的晶格熱導(dǎo)率顯著降低了，并且更加有利于熱電材料的高服役。在實驗過程中，團隊還偶然發(fā)現(xiàn)鍺摻雜到碲化鉛的晶格中后會形成偏心結(jié)構(gòu)，而這種偏心結(jié)構(gòu)可以在低溫時捕獲載流子，降低自由載流子的濃度，而到了高溫后再將載流子釋放。該方法將載流子的捕獲和釋放交由晶格畸變來實現(xiàn)，使其成為材料的本征特性。
何佳清表示，此項工作的順利完成也少不了校外專家的幫助。其中， 武漢大學(xué)陳志權(quán)教授 的正電子湮滅技術(shù)讓團隊更深入地了解到鉛空位濃度和形態(tài)的變化； 中科院物理所翁宇翔研究員 在瞬態(tài)光譜方面的研究也針對晶體結(jié)構(gòu)對載流子動力學(xué)的影響進行了更細致的解釋。
林君浩團隊與合作者共同 攻克了二維全有機鈣鈦礦結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定的瓶頸 ，在傳統(tǒng)ABX 3 鈣鈦礦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入額外的E位NH 4 + 陽離子，形成ABX 2 的化學(xué)計量，并利用范德華間隙容納更大的有機陽離子， 成功首次合成了多種二維全有機鈣鈦礦晶體 。同時，他們利用超低電子劑量的冷凍透射電鏡技術(shù)，在約1.1個電子每平方埃的超低劑量下，實現(xiàn)了對這些有機晶體的近原子級結(jié)構(gòu)表征。該材料具有層狀結(jié)構(gòu)，有望作為柔性2D電子器件中的介電層。相關(guān)實驗表明，其介電性能優(yōu)于許多現(xiàn)有的2D介電材料。 這一成果為未來開發(fā)新型全有機二維鈣鈦礦材料奠定基礎(chǔ)，并為柔性電子器件的發(fā)展提供了新的思路 。
此項研究主要 取得了兩項重大突破 。首先，研究人員首次合成了二維全有機鈣鈦礦晶體，拓展了鈣鈦礦材料領(lǐng)域，為未來開發(fā)新型全有機二維鈣鈦礦材料奠定了基礎(chǔ)。其次，基于對該類材料的精細表征，團隊開辟了生物冷凍電鏡技術(shù)用于化學(xué)有機材料有機基團表征的新領(lǐng)域。
林君浩介紹道：“據(jù)我們所知， 這是迄今為止高分辨低劑量成像技術(shù)的最佳記錄 。此前即使是最敏感的有機金屬框架，其劑量耐受度也超過10個電子/平方埃，而有機和無機雜化晶體在冷凍條件下的劑量耐受度接近50個電子/平方埃。”研究團隊將高分辨低劑量成像技術(shù)拓展到了全有機晶體領(lǐng)域，為這類更加敏感的有機材料結(jié)構(gòu)表征提供了很好的范例。
在眾多優(yōu)秀教授的帶動下，經(jīng)過13年的沉淀，南科大物理系涌現(xiàn)出了越來越多的高質(zhì)量成果。截止目前， 物理系已在Nature/Science期刊上發(fā)表論文30篇，其中物理系作為第一或者通訊單位發(fā)表了15篇 。特別是在今年短短四個月時間， 物理系已經(jīng)發(fā)表了1篇Nature、2篇Science ，在國際頂刊上接二連三的好成績，彰顯出其優(yōu)秀的科研能力。物理系也將繼續(xù)堅持面向世界科技前沿，為推動科技發(fā)展貢獻更多力量。
來源：南方科技大學(xué)。