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[专家学者] 中国科学院上海硅酸盐研究所史迅

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发表于 2017-9-22 10:56:53 | 显示全部楼层 |阅读模式
史迅,上海硅酸盐所研究员。主要研究领域为热电能量转换材料及其应用。在Nat. Mater. 等期刊发表论文130余篇,综述论文7篇;在国际热电大会、美国MRS等国际会议作邀请报告29次;申请国外专利4项,获授权2项;国内专利10余项,获授权7项。承担并主持国家杰青、优青、面上项目和青年科学基金等项目。获国家自然科学二等奖(排名第3)、中国科学院青年科学家国际合作奖、上海市自然科学一等奖(排名第3)、国际热电学会Young Investigator Award(首位获奖的中国学者)。

史迅

史迅
姓 名:史迅        
性    别:男
专家类别:研究员;百人        
学 历:博士研究生
电 话:021-52412803        
传 真:无
电子邮件:xshi@mail.sic.ac.cn        
个人主页:无
邮政编码:200050        
通讯地址:无        
简历:
教育经历:
  1995-2000,清华大学,材料科学与工程系,学士学位
  2000-2005,中国科学院上海硅酸盐研究所,博士学位
工作经历:
  2005-2007,美国密歇根大学,物理系,博士后
  2007-2010,美国通用汽车公司研发中心(Optimial),材料研究员
  2010-至今,中国科学院上海硅酸盐研究所,高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室,研究员
曾获得奖励、荣誉称号:
国际热电学会Young Investigator Award (2010年)
中国科学院“百人计划”引进人才(2011年)
上海市“浦江人才”(2011年)
上海市科技系统青年五四奖章(2012年)
国家自然科学基金“优秀青年科学基金”(2012年)
上海市自然科学一等奖(排名第三,2012年)
中国科学院青年科学家国际合作奖(2012年)
国家自然科学二等奖(排名第三,2013年)
上海市长宁区优秀青年标兵(2013年)
科研工作简介:
主要从事电子与声子输运、以及热电能量转换材料的设计与合成研究。研究内容包括:
1. “声子液体”材料
  目前热电材料的研究主要聚焦于晶态化合物,在维持晶体中优良电输运性能的同时,采用各种手段和方法降低热导率,获得高的热电性能。该类材料因此被统称为“声子玻璃-电子晶体”材料,即具有类似玻璃的低热导率和类似晶体的高电导率。然而,晶态化合物中晶格热导率的降低受制于长程有序的晶体结构,其最低极限(最小晶格热导率)与完全无序的玻璃态相当,限制了热电性能继续优化的空间。申请者提出在固态材料中引入部分具有“液态”特征的离子来降低热导率和优化热电性能,可突破固态玻璃材料的限制,从而引出和发现一类具有“声子液体-电子晶体”概念的新型热电材料。离子导体是一类特殊的固态材料,内部具有类似熔解的可自由迁移的离子,从而显示“液态”特征。研究发现Cu2-δX化合物在高温具有反萤石结构,是一种典型的快离子导体。该材料中X 原子形成坚固的面心立方(fcc)亚晶格网络结构,提供良好的电性能输运通道,实现与其他优异热电化合物相当的电学性能。而Cu离子则随机分布在X亚晶格网络的间隙位置进行自由迁移,不但可以强烈散射晶格声子来降低声子平均自由程,而且还消减了部分晶格振动模式(部分横波)来减小材料的晶格热容,使其低于固态晶体和玻璃。该材料的热电性能达到1.5-1.7,与其他典型热电材料相当。
2. 类金刚石结构化合物
  类金刚石结构化合物体系是指以类似金刚石结构中sp3键构成的四面体为基础单元形成的一类化合物。拥有该类结构的化合物种类非常多,其中很大一部分为窄带半导体,其晶体结构也由金刚石的立方晶系扭曲为其他非立方晶体结构。我们发现了一种新的高性能类金刚石四方结构CuInTe2材料。它具有成为一个优异热电材料的一切特点,如适合的禁带宽度(约1eV)、具有良好电输运特性的电子结构、众多的结构缺陷引起的低热导率、以及较低程度的晶格扭曲导致较高的载流子迁移率等。研究发现未经优化的p型半导体基体热电优值达到了1.18,与目前典型的中高温热电材料相当,如p型方钴矿等。由于电子能带收敛或重叠可导致高的电输运性能,因此好的热电材料均为立方结构或是具有类似高对称性的晶体结构,如PbTe、SiGe、Bi2Te3、skutterudite等。类金刚石结构材料中由于元素种类的增加,晶体结构发生扭曲,存在各种不同的晶体结构。因此,如何从众多的类金刚石材料中筛选并设计出高性能热电材料是目前研究的热点和难点。采用基于第一性原理的材料基因组计算方法研究了几十种具有四方结构的类金刚石化合物,发现它们的能带结构受晶体场的作用发生能级劈裂,但在某些特殊材料中如CuInTe2和CuGaTe2,能级几乎重叠或收敛,与立方结构的热电材料一致。计算发现其能级劈裂程度主要由c轴方向的晶格拉伸或压缩参数决定,当c轴的晶格参数为a轴的2倍时,能级几乎完全收敛和重叠,此即为该类材料中满足高热电性能的晶体结构参数筛选原则,吻合已报道的所有实验数据。基于此筛选规则,我们还提出了赝立方结构设计思路来设计和优化多元素热电材料,即通过元素固溶、掺杂等方式在非立方晶系类金刚石材料中获得类似立方材料的能带结构,从而获得高的电学性能和热电性能。赝立方结构设计思路有力地指导了类金刚石结构热电化合物的实验研究,在多个固溶材料体系中如Cu(In, Ga)Te2、(Ag, Cu)InTe2实现了高热电优值。
3. 相变与电热输运性能
  材料常规物相相对静态的晶体和电子结构是限制电热协调输运的根本原因,最近,我们发现材料相变过程中的临界特性可导致异常高的热电性能新效应,实现了利用临界相变特性调控电热输运,使热电优值获得了相比材料常规稳态物相3-7倍的显著提升。研究发现,硒化亚铜(Cu2Se)化合物在400 K左右存在结构相变,少量I元素掺杂可将相变温度降低至360 K左右。Cu2Se低温相呈现复杂的层状特征,层内包括Se原子层之间分布四层铜原子。发生相变时,Cu原子克服Se原子层的束缚能量势垒向层间扩散,最后形成立方结构。实验和理论研究均证明该结构相变为典型的二级相变,存在临界特性,导致巨大的结构、化学成分、密度等剧烈波动,从而对电子和声子造成强烈的临界散射。该临界涨落以及散射机制的改变显著增加材料的塞贝克(Seebeck)系数,并使材料电导率和热导率下降,最终使热电优值在临界点附近达到2.3。而一级相变可看作两相的复合体,所有输运性能吻合理想的复合材料模型。
4. 笼状结构化合物
  三维笼状结构方钴矿化合物(CoSb3)和clathrate是上世纪末发现的新型热电材料。通过在其本征晶格孔洞中部分填充杂质原子,可以有效降低晶格热导率而将热电性能zT提高到1.0~1.1。热电性能与填充原子的种类及填充量密切相关,但填充原子的填充量变化规律及其对电热输运性质的影响机理一直未被人们所认识。提出填充原子/基体元素(Sb或Co)形成的杂质相与填充方钴矿相的相互竞争决定最大填充量的观点。结合第二相形成过程的实验观察与热力学分析,建立了预测最大填充量的模型,填充量的理论预测与实验结果一致;系统研究了填充量影响原子填充形成能的微观机制,发现了填充方钴矿稳定存在的电负性选择规则。基于此,设计合成了Na、K、Sr等新型填充方钴矿化合物。笼状结构方钴矿化合物的杂质原子填充机理与电负性选择规则明确了填充方钴矿相稳定存在的区间及范围,突破了试错法寻找新型填充方钴矿的局限,为探索新型填充方钴矿材料、优化其热电性能提供了依据。首次提出采用多原子填充调控电热输运、实现填充方钴矿性能突破的学术思想。结合实验测量与理论计算,率先开展了填充原子引入局域振动散射晶格传热声子、降低热导率的物理机理的分析,阐明了填充原子的声子散射作用机制;标定了所有稳定填充原子的局域振动频率,发现在笼状结构方钴矿中碱金属、碱土金属和稀土元素具有明显不同的振动频率,而同族填充原子的局域振动频率之间差别较小;建立了晶格热导率与填充原子的填充量及局域振动频率之间的定量关系;发现了多原子填充可引入不同频率的声子散射单元、实现对传热声子的宽频率散射从而大幅降低晶格热导率的新机制-宽频声子散射效应。基于以上发现,提出了高性能多原子填充方钴矿的最优化异种原子组合原则和设计原理,引入具有不同局域振动频率的多种填充原子实现最低晶格热导率;并通过不同种类和价态的多原子组合优化电输运性能,尤其是通过获得最佳载流子浓度而实现最大功率因子。基于此,从超过百种填充原子组合中筛选、设计并制备了一系列(Ba-Yb、Ba-La-Yb等)具有极低晶格热导率和最优电输运性能的双填和多填新型方钴矿热电材料,晶格热导率接近或达到固体材料的理论最小值,热电优值ZT突破了单填的1.1~1.2,系列双填体系达到1.4~1.5,Ba-La-Yb等三填体系达到1.7,为目前块体材料最高性能水平。

科研成果:
专利成果
(1) High Efficiency Skutterudite Type Thermoelectric Materials and Devices,发明,2009,第2作者,专利号:US20090396875
(2) 一种非平衡状态下塞贝克系数的测量系统及其方法,发明,2004,第1作者,专利号:200410084659.6
(3) 一种锑化钴基热电材料的电极材料及其制备工艺,发明,2013,第4作者,专利号:10024777.8
(4) Thermoelectric Material Including a Filled Skutterudite Crystal Structure,发明,2009,第2作者,专利号:US20090434299
(5) 一种测量塞贝克系数用的样品支架和温差控制装置,实用新型,2004,第2作者,专利号:ZL200420110412.2.
(6) 一种填充方钴矿基热电复合材料及其制备方法,发明,2006,第4作者,专利号:200610027340.9


发表论文
(1) Investigation of thermoelectric properties of Cu2GaxSn1xSe3,Acta Mater.,2013,通讯作者
(2) Charge-compensated compound defects in Ga-containing thermoelectric skutterudites,Advanced Functional Materials,2013,通讯作者
(3) 热电材料的热输运调控及其,物理,2013,通讯作者
(4) Thermoelectric properties of p-type YbxLayFe2.7Co1.3Sb12 double-filled skutterudites,Intermetallics,2013,通讯作者
(5) Copper ion liquid-like thermoelectrics,Nature Materials,2012,通讯作者
(6) Ternary compound CuInTe2: a promising thermoelectric material with diamond-like structure,Chem. Commun.,2012,通讯作者
(7) Thermoelectric properties of Ni-doped CeFe4Sb12 skutterudites,Journal of Applied Physics,2012,通讯作者
(8) Chemical bonding, conductive network, and thermoelectric performance of the ternary semiconductors Cu2SnX3 (X = Se, S) from first principles,Physical Review B,2012,第5作者
(9) Thermoelectric Transport Properties of In4Se3 and In4Te3 Polycrystalline Compounds,Appl. Phys. Lett.,2011,第1作者
(10) Multiple-Filled Skutterudites: High Thermoelectric Figure of Merit through Separately Optimizing Electrical and Thermal Transports,J. Am. Chem. Soc.,2011,第1作者
(11) 热电材料中的基础物理问题,物理,2011,第1作者
(12) On the Design of High Efficiency Thermoelectric Clathrates through a Systematic Cross-substitution of Main-frame Elements,Advanced Functional Materials ,2010,第1作者
(13) Lattice Thermal Transport in BaxREyCo4Sb12 (RE=Ce, Yb, and Eu) Double-filled Skutterudites,Appl. Phys. Lett.,2010,通讯作者


科研项目
(1) 半导体热电材料,主持,国家级,2013-01--2015-12
(2) 高性能热电能源转换材料的设计与实现,主持,省级,2011-10--2013-09
(3) 热、磁、电多功能耦合及其在能量转换材料中的应用,主持,院级级,2011-04--2015-04
(4) 具有金刚石结构的A2BC3型化合物的热电性能研究,主持,国家级,2011-01--2012-12


详细介绍: http://www.skl.sic.cas.cn/yjly/nyhj/rd/cld/


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发表于 2018-4-10 08:35:27 | 显示全部楼层
提及柔韧性、延展性,浮现的画面往往是高聚物,塑料、橡皮泡沫等等,或者是金属,比如黄金、钛合金等等。你能想到无机半导体材料或者陶瓷材料具有延展性吗?当一个瓷器摔倒地上,不是碎一地,而是反弹几下后完好无损。这一假设有点夸张,但科学家们确实已经开启常温无机半导体高延展性的相关研究,并取得一定进展。在最新一期的Nature Materials上,来自中国上海的科学家史迅团队和德国科学家团队合作,发现一种在常温下表现出金属般延展性的无机半导体材料α-Ag2S。研究表明,反常的延展性来自于晶体内相对较弱的原子间相互作用。这种相互作用在保持完整晶体结构不被破坏的同时,既保证了特定晶面之间原子的移动,又满足了不同滑移面之间的滑移与错位。

室温下无机半导体(α-Ag2S)

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发表于 2018-5-7 11:48:59 | 显示全部楼层
国家重点研发计划“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项拟立项的2018年度项目公示清单


项目编号    项目名称     项目牵头承担单位    项目 负责人   中央财政经费 (万元)  项目实施周期 (年)
2018YFB0703600         基于材料基因工程的热电材料高通量研究与应用示范         中国科学院上海硅酸盐研究所         史迅         1510         4


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发表于 2018-5-23 09:49:22 | 显示全部楼层
题   目:热电能量转化材料
主讲人:史迅   中国科学院上海硅酸盐研究所
地点:北京航大学材料学院

        2018年4月28日星期六,下午14:30,来自中科院上海硅酸盐研究所的史迅研究员给同学们带来了一场精彩的学术报告,报告主题为热电能量转化材料。史迅研究员提到,目前的热电直接转换技术主要是利用半导体材料的Seebeck效应与Peltier效应实现热能和电能之间相互转化,其在工业余热和汽车尾气废热发电、太阳能综合利用、热电制冷与特殊电源等领域具有广泛而重要的应用前景。

史迅

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        史迅研究员先从最基本的热电效应概念开始讲起,深入浅出。对热电的应用,原理,研究发展历程及性能优化等方面进行了讲解,同时对比国内外热电材料的发展现状提出了现阶段存在的问题并对其未来的研究前景作出展望。

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发表于 2019-9-11 17:18:12 | 显示全部楼层
2019年自然科学基金国际(地区)合作与交流项目-高性能柔性热电能量转换材料与器件
批准号        51961135106        学科分类        ( )
项目负责人        史迅        负责人职称                依托单位        中国科学院上海硅酸盐研究所
资助金额        300.00万元        项目类别        国际(地区)合作与交流项目       
研究期限        2019 年 09 月 11 日 至2019 年 09 月 11 日

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