2024年4月5日，國際頂級期刊Science同時(shí)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(tuán)隊(duì)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(jī)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(tuán)隊(duì)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(jī)鈣鈦礦的設(shè)計(jì)、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(xiǎn)與變數(shù)。身為科研工作者，他們都已習(xí)慣帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)專注當(dāng)下，默默耕耘，集中力量攻克難關(guān)。經(jīng)歷過無數(shù)個(gè)奮斗的日夜，科研的種子終于同時(shí)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。
提供多樣思路，打造特色研究
在此次工作中，何佳清團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了空穴載流子捕獲和釋放機(jī)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(yùn)的抑制作用。團(tuán)隊(duì)利用材料晶格畸變實(shí)現(xiàn)了空穴載流子的動(dòng)態(tài)調(diào)控優(yōu)化電性能，誘導(dǎo)材料本征點(diǎn)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(shí)，熱電器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)換效率的提升，也有助于推動(dòng)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(jī)理、構(gòu)效關(guān)系和器件設(shè)計(jì)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?yàn)榈诙嗪突w材料之間具有較大的膨脹系數(shù)差異，長時(shí)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?cái)U(kuò)散，從而導(dǎo)致材料性能衰減。”據(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(tuán)簇，這些團(tuán)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(shí)驗(yàn)過程中，團(tuán)隊(duì)還偶然發(fā)現(xiàn)鍺摻雜到碲化鉛的晶格中后會(huì)形成偏心結(jié)構(gòu)，而這種偏心結(jié)構(gòu)可以在低溫時(shí)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(shí)現(xiàn)，使其成為材料的本征特性。
何佳清表示，此項(xiàng)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(tuán)隊(duì)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(dòng)力學(xué)的影響進(jìn)行了更細(xì)致的解釋。
打破材料局限，永葆創(chuàng)新活力
林君浩團(tuán)隊(duì)與合作者共同攻克了二維全有機(jī)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)難以穩(wěn)定的瓶頸，在傳統(tǒng)ABX3鈣鈦礦結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入額外的E位NH4+陽離子，形成ABX2的化學(xué)計(jì)量，并利用范德華間隙容納更大的有機(jī)陽離子，成功首次合成了多種二維全有機(jī)鈣鈦礦晶體。同時(shí)，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(gè)電子每平方埃的超低劑量下，實(shí)現(xiàn)了對這些有機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(xiàng)研究主要取得了兩項(xiàng)重大突破。首先，研究人員首次合成了二維全有機(jī)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(jī)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(xì)表征，團(tuán)隊(duì)開辟了生物冷凍電鏡技術(shù)用于化學(xué)有機(jī)材料有機(jī)基團(tuán)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(jī)金屬框架，其劑量耐受度也超過10個(gè)電子/平方埃，而有機(jī)和無機(jī)雜化晶體在冷凍條件下的劑量耐受度接近50個(gè)電子/平方埃。”研究團(tuán)隊(duì)將高分辨低劑量成像技術(shù)拓展到了全有機(jī)晶體領(lǐng)域，為這類更加敏感的有機(jī)材料結(jié)構(gòu)表征提供了很好的范例。
術(shù)業(yè)專攻，工作搭檔
兩位教授不僅在科研成果上同步開花，在日常的行政管理工作中也是默契搭檔。何佳清自2018年起擔(dān)任理學(xué)院黨委書記，2015年起擔(dān)任物理系系主任；林君浩自2018年起擔(dān)任物理系黨總支書記，2021年物理系黨委成立后，繼續(xù)擔(dān)任物理系黨委書記，并兼任物理系行政副主任一職。他們在教學(xué)科研、人才培養(yǎng)、思想文化建設(shè)等各項(xiàng)龐雜的工作中，相互扶持，合力應(yīng)對困難，不斷完善系內(nèi)規(guī)章制度，為物理系的穩(wěn)步發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。同時(shí)，兩位教授也是南科大“雙帶頭人”及“雙肩挑”培養(yǎng)的典型。
何佳清認(rèn)為，無論是科研工作還是行政管理工作，都應(yīng)該用實(shí)際行動(dòng)去詮釋奮斗進(jìn)取的價(jià)值追求。作為系主任，不僅要在學(xué)術(shù)上帶頭，更要腳踏實(shí)地，扎根基層，協(xié)調(diào)各方力量，為院系做好統(tǒng)籌工作，努力為師生排除工作和學(xué)習(xí)道路上的“后顧之憂”，讓他們能一心一意做學(xué)問，而面對自己肩頭的擔(dān)子，他始終甘之如飴。無論大小事務(wù)，何佳清都率先垂范，以身作則，帶領(lǐng)物理系突破瓶頸，把握機(jī)遇，取得豐碩成果。
林君浩作為物理系黨委書記，一路引領(lǐng)物理系黨組織發(fā)展壯大，培養(yǎng)出了一批批優(yōu)秀的師生黨員。同時(shí)，他也始終堅(jiān)持以黨建引領(lǐng)各項(xiàng)工作，為院系發(fā)展注入堅(jiān)實(shí)的政治思想根基，打造穩(wěn)步發(fā)展的“強(qiáng)引擎”。“胸懷天下”是林君浩一直珍藏的箴言，他時(shí)刻提醒自己不僅要追求科學(xué)真理，更要服務(wù)好廣大師生，聆聽師生聲音，讓物理系的發(fā)展更具“溫度”和“厚度”。
潛心育人，桃李芬芳
何佳清對待科研認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對其課題組成員影響頗深，他常常提醒學(xué)生，要沉下心來做科研，不能光做材料性能，更要深入研究其機(jī)理，弄懂每一個(gè)問題。賈寶海作為此次論文的第一作者，回想起工作剛開始時(shí)，一直苦惱于沒有清晰的思路。“何老師建議我要敢于嘗試和別人不一樣的方法，追求自己的特色，有時(shí)候要反其道而行之。后來，我們在大量的實(shí)驗(yàn)中逐漸摸索出來了碲化鉛材料中鉛空位對材料性能的顯著影響，它在p型和n型材料中的作用是相反的。在n型材料中要減少鉛空位以增強(qiáng)材料電性能，而在p型材料中要增加其濃度來降低熱導(dǎo)率，同時(shí)再輔以其他手段實(shí)現(xiàn)材料性能的優(yōu)化。這樣一來，思路打開了，實(shí)驗(yàn)就順利了很多。”
同時(shí)，何佳清團(tuán)隊(duì)在熱電材料制備方面（單晶、多晶、薄膜）經(jīng)驗(yàn)豐富，設(shè)備齊全，擁有完備的性能表征手段，能夠?qū)崿F(xiàn)足不出戶就完成基本的材料制備和表征工作，這使他們能夠順利開展研究。賈寶海認(rèn)為高質(zhì)量成果產(chǎn)出離不開科研環(huán)境的支持，此次的成果得益于何佳清教授的指導(dǎo)、組內(nèi)豐富的科研資源以及團(tuán)隊(duì)間的鼎力相助。
何佳清課題組
在學(xué)生眼中，林君浩是一位嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、勤奮刻苦、充滿熱情的導(dǎo)師，常在組會(huì)上帶領(lǐng)學(xué)生精讀文獻(xiàn)，深入剖析數(shù)據(jù)背后的邏輯。組里的成員都有自己獨(dú)立負(fù)責(zé)的課題，林君浩密切關(guān)注每一個(gè)學(xué)生的科研進(jìn)展，把關(guān)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)，手把手指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方案。此外，對于實(shí)驗(yàn)設(shè)備搭建和實(shí)驗(yàn)室管理的大小事務(wù)，他也親力親為，帶領(lǐng)學(xué)生共同維護(hù)實(shí)驗(yàn)室大小型科研設(shè)備的高效運(yùn)行，為科研工作提供堅(jiān)實(shí)的后盾。
王剛是林君浩在南科大帶的第一批學(xué)生，作為論文的共同第一作者，他的任務(wù)主要是利用冷凍透射電鏡研究二維全有機(jī)鈣鈦礦的實(shí)空間結(jié)構(gòu)。然而，純有機(jī)晶體的高分辨透射表征極具挑戰(zhàn)性，面對接踵而來的困難，他曾一度陷入了自我懷疑中。“還好在林老師的悉心指導(dǎo)下，我們逐一擊破難點(diǎn)，開發(fā)了有機(jī)晶體材料的冷凍制樣技術(shù)和超低電子劑量的冷凍成像方法。在約1.1個(gè)電子/平方埃的超低劑量下，我們實(shí)現(xiàn)了二維全有機(jī)鈣鈦礦的近原子級直接成像。”王剛還提到，在此次長達(dá)四年的科研攻關(guān)中，他深刻體會(huì)到“持之以恒，方得始終”的真諦，這也是他從導(dǎo)師身上學(xué)習(xí)到的寶貴精神。
林君浩課題組
“頂刊”之路，一路繁花
目前，何佳清主要致力于透射電子顯微學(xué)、熱電材料和結(jié)構(gòu)與物理性能關(guān)聯(lián)性等領(lǐng)域的研究，并取得了系列重大突破。加入南科大以來，他以通訊作者身份發(fā)表了5篇Science，以主要作者合作發(fā)表了3篇Science和3篇Nature。在未來，何佳清團(tuán)隊(duì)將進(jìn)行更深刻、更全面的機(jī)理研究，借助高質(zhì)量單晶材料和先進(jìn)的表征手段，對熱電材料的電子和聲子進(jìn)行深入探索，為實(shí)現(xiàn)電聲解耦調(diào)控提供更有效的方法。
林君浩的主要研究方向包括透射電子顯微表征新方法與新技術(shù)的發(fā)展，極端條件下原子分辨原位表征，低維量子材料的量子物性精確測量等，并以通訊作者身份發(fā)表了3篇Nature和1篇Science，以主要作者合作發(fā)表了1篇Nature。林君浩表示，其團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行先進(jìn)表征儀器的源頭研發(fā)，比如發(fā)展近液氦溫度的高穩(wěn)定性透射電鏡裝置，用于觀測低溫物理現(xiàn)象，解決目前量子材料中的重要科學(xué)問題。
在眾多優(yōu)秀教授的帶動(dòng)下，經(jīng)過13年的沉淀，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(gè)月時(shí)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(jiān)持面向世界科技前沿，為推動(dòng)科技發(fā)展貢獻(xiàn)更多力量。
本文鏈接：南科大物理系兩項(xiàng)研究成果在Science重磅刊登http://m.sq15.cn/show-11-4643-0.html
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