WILEY人物访谈——武汉理工大学唐新峰教授

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人物访谈

热电材料可利用载流子运动实现热能与电能间的直接转换，在温差发电、高效控温等方面有重要应用。加深对热电效应的理解，开发新型热电材料，发展低成本规模化制备技术，对于解决环境与能源问题有重要意义。本期WILEY人物访谈我们邀请武汉理工大学唐新峰教授为读者介绍他在热电材料方面的研究成果和学术心得。

人物介绍

唐新峰教授，博士生导师，于2000年获得日本东北大学工学博士。现任武汉理工大学材料学科首席教授，中国材料研究学会热电材料与应用技术分会理事长，美国物理学会会士，英国皇家化学学会会士，科技部重点研发计划首席科学家。2005年5月-2018年5月期间，任武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室常务副主任、新材料研究所所长。2014-2017年任国际热电学会理事。

唐新峰教授的主要研究方向为高性能热电材料、器件及应用技术。发现了多种热电材料体系的能带结构收敛效应，发现和揭示了多尺度结构协同调控热电材料电热输运的新规律和机制；发展并建立了多种热电材料超快速低成本规模化制备新技术，特别是发现了热电材料的自蔓延燃烧合成（SHS）现象，提出了材料发生自蔓延燃烧合成反应的普适热力学新判据，突破和颠覆了传统热力学经验判据，实现了近100种材料的超快速低成本制备；开发出系列高性能热电材料和高效微型热电器件并实现应用；与合作者一起开发出三代太阳能热电-光电复合发电系统和千瓦级汽车尾气热电发电示范车。

课题组工作在Nature Communications、Science Advances、Advanced Materials、Physical Review Letters、Physical Review B、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Energy Environmental Science、Nano Letters、Acta Materialia、National Science Review等国内外重要期刊上系统发表学术论文280余篇，280余篇，获授权发明专利99件，包括美国专利8件、欧洲和日本专利各1件。获国家自然科学二等奖1项、技术发明二等奖1项、教育部技术发明一等奖1项。

MVC：您能否简单介绍一下课题组和研究工作？

唐新峰（TXF）：我们“半导体热电材料与器件研究室”是武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室下面一个重要的研究方向，成立于2001年。进行的主要研究工作包括：半导体热电材料设计和电热输运物理机制、半导体热电材料制备新技术和新材料开发、高效微型半导体热电器件的研发、半导体热电材料和器件的应用技术研究。目前有教授和研究员6人，在读博士和硕士研究生50余人。

MVC：是什么把您吸引到科学领域的呢？作为科研人员您对什么非常感兴趣呢？如果重新选择，您还会继续做学术研究吗，为什么？

TXF：能探索未知世界，同时还能培养造就人才是吸引我到科学领域的最大动力。作为材料科学领域的科研人员我最感兴趣的是：在材料科学与技术研究和发展中，探索和发现材料影响性质的各种微观机制和科学规律，及其如何更好满足使用要求。如果重新选择，还会继续做学术研究，因为探索微观未知世界太有趣了。

MCV：是什么促使您选择热电材料与器件为您的研究领域？

TXF：从科学研究来说：半导体热电材料和器件与其它功能材料相比很独特。要获得性能优异的热电材料，需要同时研究电子、声子、离子等微观粒子的相互作用规律，并实现协同输运和调控，影响因素更复杂，更有挑战性，也更有趣！如果能有些发现，意义也更大！

从应用来说：半导体热电材料和器件的应用领域虽然不是量大面广，但在很多重要应用领域是其它材料不可替代的。

MVC：您的课题组对于热电材料及相关领域的将来有什么兴趣？您对其前景有何展望?

TXF：我们的兴趣和目标是：探索研究在开发性能更高、器件尺寸更小、成本更低的热电材料和器件方面的基础科学和关键技术问题。对未来的研究工作充满信心！

MVC：我注意到您过去几年在我们Wiley及其他平台发表众多优秀的工作。对于您发表的著作，您最喜欢的是哪部分研究工作？您是否能和读者分享一些令人印象深刻的瞬间或事件？

TXF：我们能有幸在Wiley及其它平台发表的工作，应该说都是我喜欢的工作。当然非常愿意和读者分享一些令人印象深刻的瞬间或事件。

这里与大家分享有趣一个的故事。

热电材料制备科学技术是热电材料领域的重要研究内容。如何实现高性能热电材料的超快速低成本制备，是热电材料制备科学技术领域高度关注的课题，也是热电材料大规模应用提出的重大需求。

自蔓延燃烧合成技术（Self-propagating high-temperature synthesis，简称SHS），是利用化学反应自身放热，使化学反应过程自发地持续进行，获得具有设计成分和结构的一种材料制备先进技术。它具有很多优异的特点：初始点火后，反应过程不需要外界能量、能耗很低；产物反应与合成速度极快，几秒就可完成反应；工艺简单、对设备要求很低；适合于大规模生产。

SHS技术是上世纪 70 ~ 90年代发展起来，并广泛用于制备高性能结构陶瓷和金属间化合物重要先进制备技术。

上个世纪70年代，前苏联科学院结构宏观动力学研究所 Merzhanov教授和加州大学戴维斯分校 Munir教授等人，对SHS发生的条件提出了著名热力学判据：燃烧绝热温度T_ad＞ 1800 K （燃烧绝热温度是在绝热条件下，某一材料体系化学反应发出的热量使体系达到的最高温度）。利用这一判据，国内外成功制备出一系列高性能陶瓷和金属间化合物，如 TiB、 TiB₂、ZrB₂、ZrC、TiSi 、 NiAl、 CoAl、MoSi₂、ZrSi₂等，并获得广泛应用。这些体系的绝热温度T_ad都在 1800 K以上。

四十多年来SHS技术应用热电材料的制备没有进行过探索，之所以如此，是因为人们认为热电材料化学反应过程放热量不足，绝热温度都在 1800 K以下，按T_ad＞ 1800 K 传统判据，热电材料不能发生SHS反应也不能通过SHS反应合成。

我们在一次偶然的实验中发现Cu₂Se自蔓延燃烧合成（SHS）现象（T_ad仅1001K），并且进一步研究发现，其它十几种典型热电化合物都能发生自蔓延燃烧合成。热电材料SHS反应的现象的发现，对SHS反应的传统热力学判据提出了挑战：即传统判据适用于高温陶瓷和金属间化合物，但不适用于热电材料体系。

我们又进一步通过系统研究，提出了材料发生自蔓延燃烧合成反应的普适热力学新判据，即T_ad/T_mL＞1.0，它突破和颠覆了传统热力学经验判据。利用这一新判据，我们又对元素周期表中 138 种二元化合物进行了SHS探索合成，发现满足新判据的二元化合物绝大多数都可以通过自蔓延燃烧合成，实现了近100种材料的超快速低成本制备。

MVC：科学工作之余，您如何平衡生活和工作？您最大的爱好是什么？

TXF：从事科学研究是我人生最大的乐趣！科研之余，我也非常喜欢摄影、书法、阅读专业以外的其它书籍，还喜欢游泳。

MVC：您认为什么是科学工作者最重要的品质？您对有志从事科学研究的青年学生有什么建议?

TXF：我认为科学工作者最重要的品质：强烈的兴趣、执着和坚守、坚持真理！建议有志于科学研究的青年学生努力塑造上述品质。

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