来源:南方科技大学微信公众号 发布时间:2024/4/5 16:55:22
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南科大物理系两项研究成果在Science重磅刊登

 

2024年4月5日,国际顶级期刊Science同时上线了两篇来自南方科技大学物理系的研究论文。物理系讲席教授何佳清团队发表了题为“Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe”的文章,阐述了他们通过新的物理机理而获得高性能热电材料。南科大物理系、粤港澳大湾区量子科学中心林君浩副教授课题组与合作团队发表了题为“Molecularly thin, two-dimensional all-organic perovskites”的文章,记录了他们在二维全有机钙钛矿的设计、合成和结构解析方面取得的重大突破。

在两位教授看来,此次同登顶刊,既是一次巧合,也在情理之中。一颗种子从萌芽到开花,过程充满了艰险与变数。身为科研工作者,他们都已习惯带领团队专注当下,默默耕耘,集中力量攻克难关。经历过无数个奋斗的日夜,科研的种子终于同时开出了绚烂的花朵,这一系列突破性成果的发表是对他们辛勤付出的最大肯定。

提供多样思路,打造特色研究

在此次工作中,何佳清团队首次发现并验证了空穴载流子捕获和释放机制和其对材料电性能的调控作用,以及调控材料本证铅空位形态的赝纳米结构对材料热输运的抑制作用。团队利用材料晶格畸变实现了空穴载流子的动态调控优化电性能,诱导材料本征点缺陷制造广泛分布的赝纳米结构优化热性能,这两种策略均为其他热电材料的性能优化提供了可行的思路。同时,热电器件结构设计和转换效率的提升,也有助于推动热电发电器件的发展和应用。

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“这是我们组长期探索热电材料性能优化机理、构效关系和器件设计的结果。热电材料中含有大量纳米第二相对于中高温区的热电材料来说是不利的,因为第二相和基体材料之间具有较大的膨胀系数差异,长时间在高温下工作或诱导材料内部出现应力集中和相互元素扩散,从而导致材料性能衰减。”据何佳清介绍,他们在碲化铅材料中构造了大量的纳米级空位团簇,这些团簇在材料中产生了大量的应力和应变,使材料的晶格热导率显著降低了,并且更加有利于热电材料的高服役。在实验过程中,团队还偶然发现锗掺杂到碲化铅的晶格中后会形成偏心结构,而这种偏心结构可以在低温时捕获载流子,降低自由载流子的浓度,而到了高温后再将载流子释放。该方法将载流子的捕获和释放交由晶格畸变来实现,使其成为材料的本征特性。

何佳清表示,此项工作的顺利完成也少不了校外专家的帮助。其中,武汉大学陈志权教授的正电子湮灭技术让团队更深入地了解到铅空位浓度和形态的变化;中科院物理所翁宇翔研究员在瞬态光谱方面的研究也针对晶体结构对载流子动力学的影响进行了更细致的解释。

打破材料局限,永葆创新活力

林君浩团队与合作者共同攻克了二维全有机钙钛矿结构难以稳定的瓶颈,在传统ABX3钙钛矿结构基础上引入额外的E位NH4+阳离子,形成ABX2的化学计量,并利用范德华间隙容纳更大的有机阳离子,成功首次合成了多种二维全有机钙钛矿晶体。同时,他们利用超低电子剂量的冷冻透射电镜技术,在约1.1个电子每平方埃的超低剂量下,实现了对这些有机晶体的近原子级结构表征。该材料具有层状结构,有望作为柔性2D电子器件中的介电层。相关实验表明,其介电性能优于许多现有的2D介电材料。这一成果为未来开发新型全有机二维钙钛矿材料奠定基础,并为柔性电子器件的发展提供了新的思路。

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此项研究主要取得了两项重大突破。首先,研究人员首次合成了二维全有机钙钛矿晶体,拓展了钙钛矿材料领域,为未来开发新型全有机二维钙钛矿材料奠定了基础。其次,基于对该类材料的精细表征,团队开辟了生物冷冻电镜技术用于化学有机材料有机基团表征的新领域。

林君浩介绍道:“据我们所知,这是迄今为止高分辨低剂量成像技术的最佳记录。此前即使是最敏感的有机金属框架,其剂量耐受度也超过10个电子/平方埃,而有机和无机杂化晶体在冷冻条件下的剂量耐受度接近50个电子/平方埃。”研究团队将高分辨低剂量成像技术拓展到了全有机晶体领域,为这类更加敏感的有机材料结构表征提供了很好的范例。

术业专攻,工作搭档

两位教授不仅在科研成果上同步开花,在日常的行政管理工作中也是默契搭档。何佳清自2018年起担任理学院党委书记,2015年起担任物理系系主任;林君浩自2018年起担任物理系党总支书记,2021年物理系党委成立后,继续担任物理系党委书记,并兼任物理系行政副主任一职。他们在教学科研、人才培养、思想文化建设等各项庞杂的工作中,相互扶持,合力应对困难,不断完善系内规章制度,为物理系的稳步发展做出了巨大贡献。同时,两位教授也是南科大“双带头人”及“双肩挑”培养的典型。

何佳清认为,无论是科研工作还是行政管理工作,都应该用实际行动去诠释奋斗进取的价值追求。作为系主任,不仅要在学术上带头,更要脚踏实地,扎根基层,协调各方力量,为院系做好统筹工作,努力为师生排除工作和学习道路上的“后顾之忧”,让他们能一心一意做学问,而面对自己肩头的担子,他始终甘之如饴。无论大小事务,何佳清都率先垂范,以身作则,带领物理系突破瓶颈,把握机遇,取得丰硕成果。

林君浩作为物理系党委书记,一路引领物理系党组织发展壮大,培养出了一批批优秀的师生党员。同时,他也始终坚持以党建引领各项工作,为院系发展注入坚实的政治思想根基,打造稳步发展的“强引擎”。“胸怀天下”是林君浩一直珍藏的箴言,他时刻提醒自己不仅要追求科学真理,更要服务好广大师生,聆听师生声音,让物理系的发展更具“温度”和“厚度”。

潜心育人,桃李芬芳

何佳清对待科研认真严谨的态度对其课题组成员影响颇深,他常常提醒学生,要沉下心来做科研,不能光做材料性能,更要深入研究其机理,弄懂每一个问题。贾宝海作为此次论文的第一作者,回想起工作刚开始时,一直苦恼于没有清晰的思路。“何老师建议我要敢于尝试和别人不一样的方法,追求自己的特色,有时候要反其道而行之。后来,我们在大量的实验中逐渐摸索出来了碲化铅材料中铅空位对材料性能的显著影响,它在p型和n型材料中的作用是相反的。在n型材料中要减少铅空位以增强材料电性能,而在p型材料中要增加其浓度来降低热导率,同时再辅以其他手段实现材料性能的优化。这样一来,思路打开了,实验就顺利了很多。”

同时,何佳清团队在热电材料制备方面(单晶、多晶、薄膜)经验丰富,设备齐全,拥有完备的性能表征手段,能够实现足不出户就完成基本的材料制备和表征工作,这使他们能够顺利开展研究。贾宝海认为高质量成果产出离不开科研环境的支持,此次的成果得益于何佳清教授的指导、组内丰富的科研资源以及团队间的鼎力相助。

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何佳清课题组

在学生眼中,林君浩是一位严谨治学、勤奋刻苦、充满热情的导师,常在组会上带领学生精读文献,深入剖析数据背后的逻辑。组里的成员都有自己独立负责的课题,林君浩密切关注每一个学生的科研进展,把关每一个实验细节,手把手指导实验方案。此外,对于实验设备搭建和实验室管理的大小事务,他也亲力亲为,带领学生共同维护实验室大小型科研设备的高效运行,为科研工作提供坚实的后盾。

王刚是林君浩在南科大带的第一批学生,作为论文的共同第一作者,他的任务主要是利用冷冻透射电镜研究二维全有机钙钛矿的实空间结构。然而,纯有机晶体的高分辨透射表征极具挑战性,面对接踵而来的困难,他曾一度陷入了自我怀疑中。“还好在林老师的悉心指导下,我们逐一击破难点,开发了有机晶体材料的冷冻制样技术和超低电子剂量的冷冻成像方法。在约1.1个电子/平方埃的超低剂量下,我们实现了二维全有机钙钛矿的近原子级直接成像。”王刚还提到,在此次长达四年的科研攻关中,他深刻体会到“持之以恒,方得始终”的真谛,这也是他从导师身上学习到的宝贵精神。

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林君浩课题组

“顶刊”之路,一路繁花

目前,何佳清主要致力于透射电子显微学、热电材料和结构与物理性能关联性等领域的研究,并取得了系列重大突破。加入南科大以来,他以通讯作者身份发表了5篇Science,以主要作者合作发表了3篇Science和3篇Nature。在未来,何佳清团队将进行更深刻、更全面的机理研究,借助高质量单晶材料和先进的表征手段,对热电材料的电子和声子进行深入探索,为实现电声解耦调控提供更有效的方法。

林君浩的主要研究方向包括透射电子显微表征新方法与新技术的发展,极端条件下原子分辨原位表征,低维量子材料的量子物性精确测量等,并以通讯作者身份发表了3篇Nature和1篇Science,以主要作者合作发表了1篇Nature。林君浩表示,其团队计划进行先进表征仪器的源头研发,比如发展近液氦温度的高稳定性透射电镜装置,用于观测低温物理现象,解决目前量子材料中的重要科学问题。

在众多优秀教授的带动下,经过13年的沉淀,物理系涌现出了越来越多的高质量成果。截止目前,物理系已在Nature/Science期刊上发表论文30篇,其中物理系作为第一或者通讯单位发表了15篇。特别是在今年短短四个月时间,物理系已经发表了1篇Nature、2篇Science,在国际顶刊上接二连三的好成绩,彰显出其优秀的科研能力。物理系也将继续坚持面向世界科技前沿,为推动科技发展贡献更多力量。

 
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