熱電轉換技術是一種利用半導體材料直接將熱能與電能進行相互轉換的技術。隨著環(huán)境保護形勢的日益嚴峻，研究和開發(fā)清潔能源已成為全球科學研究的重點領域。其中，熱電轉換技術憑借系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物質、適用溫度范圍廣等特點，被重點關注。同時由于熱電轉換系統(tǒng)是深空探測器和航天探測器上不可取代的可靠電源，全球航天強國無不在這一領域全力投入，以致近年來在全球范圍內掀起了熱電能源材料的研發(fā)熱潮。

　　熱電轉換效率是衡量熱電材料性能的關鍵指標，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勢S (產(chǎn)生大電壓)，更優(yōu)異的電導率和更低的熱導率的熱電能源材料，其熱電轉換效率更高、性能更佳。但由于這幾個熱電參數(shù)之間存在復雜的互動關系，使得實現(xiàn)高熱電優(yōu)值ZT 成為一個巨大的挑戰(zhàn)。同時從熱電材料研究和應用的大趨勢來看，還需要兼顧資源儲量和環(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的生命力。所以，研發(fā)一種理想的熱電能源材料，使之同時具備性能優(yōu)異、儲量豐富且環(huán)境友好等條件要素，成為長期困擾熱電研究學者的難題。

　　趙立東教授在美國西北大學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)長期經(jīng)驗總結的一套篩選熱電材料的方法，對候選材料進行了大規(guī)模篩選和對比研究。期間他發(fā)現(xiàn)硒化錫除了儲量豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點外，還具有比碲化鉛更低的熱導率，而這恰好滿足了熱電材料的低熱傳導要求。趙立東意識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電性能，導致硒化錫長期被熱電領域所忽視。

　　怎么樣才能改善硒化錫的導電性能？考慮到硒化錫的層狀晶體結構，趙立東大膽地猜想在其層面內可能具有不錯的導電性能 (電導率主要由載流子遷移率和載流子濃度兩個因素決定)，并開始嘗試制備硒化錫單晶。研究結果恰好符合了預期，進一步的研究發(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)迅速在國際學術界引起了廣泛關注，并很快被西班牙馬德里材料科學研究所和美國橡樹嶺國家實驗室的學者通過實驗分別證實。

　　初戰(zhàn)告捷的趙立東并未就此止步。盡管前期初步研究結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ZT值很低，這一點嚴重限制了硒化錫在300-773K這一重要溫度區(qū)間的使用。這時，趙立東已入選國家“青年千人計劃”，并回國成為北京航空航天大學材料學院的教授，并擔任北航國際交叉科學研究院熱電能源材料研究室主任。近年來，北航為落實人才強校戰(zhàn)略，大力推進機制創(chuàng)新，專門設立了“國際交叉科學研究院”人才特區(qū)，實行國際化聘任和評價機制，為每位新引進的海外優(yōu)秀學者建立了實驗室。當趙立東教授正式入職北航工作時，學校已經(jīng)按照需求為他專門成立并建好了熱電能源材料研究實驗室，讓他在科研工作無縫銜接的同時，感受到學校無微不至的關懷和巨大支持。

   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)次反復推導，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電性和溫差電動勢，以求獲得300-773K溫度范圍內較高的電傳輸性能。他敏銳地認識到，利用能帶結構是調控熱電材料的導電性和溫差電動勢的有效方法 (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價帶 (輕價帶1帶和重價帶2帶) 的距離僅相距0.15 eV, 1帶和2帶能量對齊后可使有效質量增加，從而提高溫差電動勢。他發(fā)現(xiàn)硒化錫的電子帶結構更加復雜，多個價帶的能量距離很小，如1價帶和2價帶的距離僅為 0.06 eV, 1價帶和3價帶的距離為0.13 eV, 1價帶和4價帶的距離為0.19 eV。當費米能級已經(jīng)進入4價帶甚至接近5和6價帶，這時就可實現(xiàn)多個價帶同時參與電傳輸。

　　趙立東對這一現(xiàn)象做了一個形象的類比：一條高速公路上有無數(shù)擁擠的車輛時，車輛行駛的會非常緩慢；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增多。

　　通過這一移動費米能級的巧妙方法，不但可以保持相對較高的載流子遷移率，還使得溫差電動勢提高了5倍，可以讓硒化錫材料在整個溫度區(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。這個結果意味著開發(fā)一種同時具備性能優(yōu)異、儲量豐富而且環(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“卓越百人計劃”和中組部第六批“青年千人計劃”入選者。主要從事熱電能源材料、超導材料和低熱傳導氧化物材料的研究。先后獲得遼寧工程技術大學學士、碩士和北京科技大學博士學位。2009至2011年，在法國巴黎十一大學物理系從事博士后研究；2011至2014年，在美國西北大學化學系從事博士后研究。迄今已在《Science》《Nature》《Nature Commun.》等國際著名期刊上發(fā)表SCI論文80余篇、被引用2200多次，授權和申請美國專利3項，中國專利8項。

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

　　近年來，北航學者在《Nature》《Science》等國際頂級學術期刊上均有高水平論文發(fā)表。學校堅持瞄準國際學術前沿、圍繞國家戰(zhàn)略需求，加大空天信融合特色的世界一流大學和一流學科建設力度，共有工程學、材料科學、物理學、計算機科學、化學五個學科領域的ESI排名進入全球前1%。尤其在工程、材料等學科中形成了多個等世界一流學科方向，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項國家級科技獎勵一等獎、3項國家自然科學二等獎，創(chuàng)造了一所大學連續(xù)獲國家最高等級科技獎勵的“奇跡”，被社會譽為科技創(chuàng)新的“北航模式”。