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史迅，研究員，課題組長?

xshi@mail.sic.ac.cn

　　教育經(jīng)歷： ?

　　1995-2000，清華大學(xué)，材料科學(xué)與工程系，學(xué)士學(xué)位
　　2000-2005，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，博士學(xué)位

　　工作經(jīng)歷：

　　2005-2007，美國密歇根大學(xué)，物理系，博士后?
　　2007-2010，美國通用汽車公司研發(fā)中心（Optimial），材料研究員?
　　2010-至今，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家重點實驗室，研究員?

　　曾獲得獎勵、榮譽稱號：?

1. 國際熱電學(xué)會Young Investigator Award （2010年）?
2. 上海市“浦江人才”（2011年）?
3. 上海市科技系統(tǒng)青年五四獎?wù)拢?012年）?
4. 國家自然科學(xué)基金“優(yōu)秀青年科學(xué)基金”（2012年）?
5. 上海市自然科學(xué)一等獎（排名第三，2012年）?
6. 中國科學(xué)院青年科學(xué)家國際合作獎（2012年）?
7. 國家自然科學(xué)二等獎（排名第三，2013年）?
8. 上海市長寧區(qū)優(yōu)秀青年標兵（2013年）?

　　科研工作簡介：?

　　主要從事電子與聲子輸運、以及熱電能量轉(zhuǎn)換材料的設(shè)計與合成研究。研究內(nèi)容包括：?

　　1.“聲子液體”材料?

　　目前熱電材料的研究主要聚焦于晶態(tài)化合物，在維持晶體中優(yōu)良電輸運性能的同時，采用各種手段和方法降低熱導(dǎo)率，獲得高的熱電性能。該類材料因此被統(tǒng)稱為“聲子玻璃－電子晶體”材料，即具有類似玻璃的低熱導(dǎo)率和類似晶體的高電導(dǎo)率。然而，晶態(tài)化合物中晶格熱導(dǎo)率的降低受制于長程有序的晶體結(jié)構(gòu)，其最低極限（最小晶格熱導(dǎo)率）與完全無序的玻璃態(tài)相當，限制了熱電性能繼續(xù)優(yōu)化的空間。申請者提出在固態(tài)材料中引入部分具有“液態(tài)”特征的離子來降低熱導(dǎo)率和優(yōu)化熱電性能，可突破固態(tài)玻璃材料的限制，從而引出和發(fā)現(xiàn)一類具有“聲子液體－電子晶體”概念的新型熱電材料。離子導(dǎo)體是一類特殊的固態(tài)材料，內(nèi)部具有類似熔解的可自由遷移的離子，從而顯示“液態(tài)”特征。研究發(fā)現(xiàn)Cu_2-δX化合物在高溫具有反螢石結(jié)構(gòu)，是一種典型的快離子導(dǎo)體。該材料中X 原子形成堅固的面心立方（fcc）亞晶格網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提供良好的電性能輸運通道，實現(xiàn)與其他優(yōu)異熱電化合物相當?shù)碾妼W(xué)性能。而Cu離子則隨機分布在X亞晶格網(wǎng)絡(luò)的間隙位置進行自由遷移，不但可以強烈散射晶格聲子來降低聲子平均自由程，而且還消減了部分晶格振動模式（部分橫波）來減小材料的晶格熱容，使其低于固態(tài)晶體和玻璃。該材料的熱電性能達到1.5-1.7，與其他典型熱電材料相當。?

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　　2.?類金剛石結(jié)構(gòu)化合物?

　　類金剛石結(jié)構(gòu)化合物體系是指以類似金剛石結(jié)構(gòu)中sp3鍵構(gòu)成的四面體為基礎(chǔ)單元形成的一類化合物。擁有該類結(jié)構(gòu)的化合物種類非常多，其中很大一部分為窄帶半導(dǎo)體，其晶體結(jié)構(gòu)也由金剛石的立方晶系扭曲為其他非立方晶體結(jié)構(gòu)。我們發(fā)現(xiàn)了一種新的高性能類金剛石四方結(jié)構(gòu)CuInTe2材料。它具有成為一個優(yōu)異熱電材料的一切特點，如適合的禁帶寬度（約1eV）、具有良好電輸運特性的電子結(jié)構(gòu)、眾多的結(jié)構(gòu)缺陷引起的低熱導(dǎo)率、以及較低程度的晶格扭曲導(dǎo)致較高的載流子遷移率等。研究發(fā)現(xiàn)未經(jīng)優(yōu)化的p型半導(dǎo)體基體熱電優(yōu)值達到了1.18，與目前典型的中高溫?zé)犭姴牧舷喈敚鏿型方鈷礦等。由于電子能帶收斂或重疊可導(dǎo)致高的電輸運性能，因此好的熱電材料均為立方結(jié)構(gòu)或是具有類似高對稱性的晶體結(jié)構(gòu)，如PbTe、SiGe、Bi2Te3、skutterudite等。類金剛石結(jié)構(gòu)材料中由于元素種類的增加，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生扭曲，存在各種不同的晶體結(jié)構(gòu)。因此，如何從眾多的類金剛石材料中篩選并設(shè)計出高性能熱電材料是目前研究的熱點和難點。采用基于第一性原理的材料基因組計算方法研究了幾十種具有四方結(jié)構(gòu)的類金剛石化合物，發(fā)現(xiàn)它們的能帶結(jié)構(gòu)受晶體場的作用發(fā)生能級劈裂，但在某些特殊材料中如CuInTe2和CuGaTe2，能級幾乎重疊或收斂，與立方結(jié)構(gòu)的熱電材料一致。計算發(fā)現(xiàn)其能級劈裂程度主要由c軸方向的晶格拉伸或壓縮參數(shù)決定，當c軸的晶格參數(shù)為a軸的2倍時，能級幾乎完全收斂和重疊，此即為該類材料中滿足高熱電性能的晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)篩選原則，吻合已報道的所有實驗數(shù)據(jù)。基于此篩選規(guī)則，我們還提出了贗立方結(jié)構(gòu)設(shè)計思路來設(shè)計和優(yōu)化多元素?zé)犭姴牧希赐ㄟ^元素固溶、摻雜等方式在非立方晶系類金剛石材料中獲得類似立方材料的能帶結(jié)構(gòu)，從而獲得高的電學(xué)性能和熱電性能。贗立方結(jié)構(gòu)設(shè)計思路有力地指導(dǎo)了類金剛石結(jié)構(gòu)熱電化合物的實驗研究，在多個固溶材料體系中如Cu(In, Ga)Te2、(Ag, Cu)InTe2實現(xiàn)了高熱電優(yōu)值。?

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　　3.相變與電熱輸運性能?

　　材料常規(guī)物相相對靜態(tài)的晶體和電子結(jié)構(gòu)是限制電熱協(xié)調(diào)輸運的根本原因，最近，我們發(fā)現(xiàn)材料相變過程中的臨界特性可導(dǎo)致異常高的熱電性能新效應(yīng)，實現(xiàn)了利用臨界相變特性調(diào)控電熱輸運，使熱電優(yōu)值獲得了相比材料常規(guī)穩(wěn)態(tài)物相3-7倍的顯著提升。研究發(fā)現(xiàn)，硒化亞銅（Cu2Se）化合物在400 K左右存在結(jié)構(gòu)相變，少量I元素摻雜可將相變溫度降低至360 K左右。Cu2Se低溫相呈現(xiàn)復(fù)雜的層狀特征，層內(nèi)包括Se原子層之間分布四層銅原子。發(fā)生相變時，Cu原子克服Se原子層的束縛能量勢壘向?qū)娱g擴散，最后形成立方結(jié)構(gòu)。實驗和理論研究均證明該結(jié)構(gòu)相變?yōu)榈湫偷亩壪嘧儯嬖谂R界特性，導(dǎo)致巨大的結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、密度等劇烈波動，從而對電子和聲子造成強烈的臨界散射。該臨界漲落以及散射機制的改變顯著增加材料的塞貝克（Seebeck）系數(shù)，并使材料電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率下降，最終使熱電優(yōu)值在臨界點附近達到2.3。而一級相變可看作兩相的復(fù)合體，所有輸運性能吻合理想的復(fù)合材料模型。?

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　　4.籠狀結(jié)構(gòu)化合物?

　　三維籠狀結(jié)構(gòu)方鈷礦化合物(CoSb3)和clathrate是上世紀末發(fā)現(xiàn)的新型熱電材料。通過在其本征晶格孔洞中部分填充雜質(zhì)原子，可以有效降低晶格熱導(dǎo)率而將熱電性能zT提高到1.0~1.1。熱電性能與填充原子的種類及填充量密切相關(guān)，但填充原子的填充量變化規(guī)律及其對電熱輸運性質(zhì)的影響機理一直未被人們所認識。提出填充原子/基體元素(Sb或Co)形成的雜質(zhì)相與填充方鈷礦相的相互競爭決定最大填充量的觀點。結(jié)合第二相形成過程的實驗觀察與熱力學(xué)分析，建立了預(yù)測最大填充量的模型，填充量的理論預(yù)測與實驗結(jié)果一致；系統(tǒng)研究了填充量影響原子填充形成能的微觀機制，發(fā)現(xiàn)了填充方鈷礦穩(wěn)定存在的電負性選擇規(guī)則。基于此，設(shè)計合成了Na、K、Sr等新型填充方鈷礦化合物。籠狀結(jié)構(gòu)方鈷礦化合物的雜質(zhì)原子填充機理與電負性選擇規(guī)則明確了填充方鈷礦相穩(wěn)定存在的區(qū)間及范圍，突破了試錯法尋找新型填充方鈷礦的局限，為探索新型填充方鈷礦材料、優(yōu)化其熱電性能提供了依據(jù)。首次提出采用多原子填充調(diào)控電熱輸運、實現(xiàn)填充方鈷礦性能突破的學(xué)術(shù)思想。結(jié)合實驗測量與理論計算，率先開展了填充原子引入局域振動散射晶格傳熱聲子、降低熱導(dǎo)率的物理機理的分析，闡明了填充原子的聲子散射作用機制；標定了所有穩(wěn)定填充原子的局域振動頻率，發(fā)現(xiàn)在籠狀結(jié)構(gòu)方鈷礦中堿金屬、堿土金屬和稀土元素具有明顯不同的振動頻率，而同族填充原子的局域振動頻率之間差別較小；建立了晶格熱導(dǎo)率與填充原子的填充量及局域振動頻率之間的定量關(guān)系；發(fā)現(xiàn)了多原子填充可引入不同頻率的聲子散射單元、實現(xiàn)對傳熱聲子的寬頻率散射從而大幅降低晶格熱導(dǎo)率的新機制－寬頻聲子散射效應(yīng)。基于以上發(fā)現(xiàn)，提出了高性能多原子填充方鈷礦的最優(yōu)化異種原子組合原則和設(shè)計原理，引入具有不同局域振動頻率的多種填充原子實現(xiàn)最低晶格熱導(dǎo)率；并通過不同種類和價態(tài)的多原子組合優(yōu)化電輸運性能，尤其是通過獲得最佳載流子濃度而實現(xiàn)最大功率因子。基于此，從超過百種填充原子組合中篩選、設(shè)計并制備了一系列(Ba-Yb、Ba-La-Yb等)具有極低晶格熱導(dǎo)率和最優(yōu)電輸運性能的雙填和多填新型方鈷礦熱電材料，晶格熱導(dǎo)率接近或達到固體材料的理論最小值，熱電優(yōu)值ZT突破了單填的1.1～1.2，系列雙填體系達到1.4～1.5，Ba-La-Yb等三填體系達到1.7，為目前塊體材料最高性能水平。?

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　　科研成果：?

1. Ying He, Tristan Day, Tiansong Zhang, Huili Liu, Xun Shi,* Lidong Chen,* G. Jeffrey Snyder*, “High thermoelectric performance in non-toxic earth-abundant copper sulfide”, Advanced Materials (in press).?
2. Jiawei Zhang, Ruiheng Liu, Nian Cheng, Yubo Zhang, Jihui Yang, Ctirad Uher, Xun Shi*, Lidong Chen*, Wenqing Zhang*, “High-performance pseudocubic thermoelectric materials from non-cubic chalcopyrite compounds”, Advanced Materials (in press).?
3. Yinglu Tang, Yuting Qiu, Lili Xi, Xun Shi*, Wenqing Zhang, Lidong Chen,? Ssu-Ming Tseng, Sinn-wen Chen, G. Jeffrey Snyder*, “Phase diagram of In–Co–Sb system and thermoelectric properties of In-containing skutterudites”,?? Energy & Environmental Science 7, pp 812-819, 2014.?
4. Yuting Qiu, Juanjuan Xing, Xiang Gao, Lili Xi, Xun Shi*, Hui Gu, Lidong Chen*, “Electrical properties and microcosmic study on compound defects in Ga-contained thermoelectric skutterudites”, Journal of Materials Chemistry A (published online).?
5. Huili Liu, Xun Yuan, Ping Lu, Xun Shi*, Fangfang Xu, Ying He, Yunshan Tang, Shengqiang Bai, Wenqing Zhang*, Lidong Chen*, Yue Lin, Lei Shi, He Lin, Xingyu Gao, Xingmin Zhang, Hang Chi, Ctirad Uher, “Ultrahigh thermoelectric performance by electron and phonon critical scattering in Cu2 Se1-xIx”, Advanced Materials 25, pp 6607–6612, 2013. ?
6. Tristan Day, Fivos Drymiotis, Tiansong Zhang, Daniel Rhodes, Xun Shi,?? Lidong Chen, G. Jeffrey Snyder, “Evaluating the potential for high thermoelectric efficiency of silver selenide”, Journal of Materials Chemistry C 1, pp 7568-7573, 2013.?
7. Yuting Qiu, Lili Xi, Xun Shi*, Pengfei Qiu, Wenqing Zhang*, Lidong Chen, James R. Salvador, Jung Y. Cho, Jihui Yang, Yuan-chun Chien, Sinn-wen Chen, Yinglu Tang, G. Jeffrey Snyder*, “Charge-Compensated compound defects in Ga-containing thermoelectric skutterudites”, Advanced Functional Materials 23, pp 3194-3203, 2013.?
8. 劉灰禮，何穎，史迅*，郭向欣，陳立東*，“‘聲子液體’熱電材料研究進展”，科學(xué)通報，58，pp 2603-2608, 2013.?
9. Pengfei Qiu, Xun Shi*, Yuting Qiu, Xiangyang Huang, Sun Wan, Wenqing Zhang, Lidong Chen, Jihui Yang, “Enhancement of thermoelectric performance in slightly charge-compensated CeyCo4Sb12 skutterudites”, Applied Physics Letters 103, pp 062103, 2013.?
10. Jing Fan, Huili Liu, Xiaoya Shi, Shengqiang Bai, Xun Shi*, Lidong Chen, “Investigation of thermoelectric properties of Cu2GaxSn1-xSe3 diamond-like compounds by hot pressing and spark plasma sintering”, Acta Materialia, 61(11), pp 4297-4304, 2013/6.?
11. 宋君強, 史迅*, 張文清*, 陳立東, “熱電材料的熱輸運調(diào)控及其在微型器件中的應(yīng)用”, 物理，42，pp 112-123, 2013.?
12. Huili Liu, Xun Shi*, M. Kirkham, Hsin Wang, Qiang Li, Ctirad Uher, Wenqing Zhang*, Lidong Chen*, “Structure-transformation-induced abnormal thermoelectric properties in semiconductor copper selenide”, Materials Letters 93, pp 121-124, 2013.?
13. Huili Liu, Xun Shi*, Fangfang Xu, Linlin Zhang, Wenqing Zhang, Lidong Chen*, Qiang Li, Ctirad Uher, Tristan Day, G Jeffery Snyder, “Copper ion liquid-like thermoelectrics”,? Nature Materials 11, pp 422-425, 2012.?
14. Ruiheng Liu, Lili Xi, Huili Liu, Xun Shi,* Wenqing Zhang, Lidong Chen*, “Ternary compound CuInTe2: a promising thermoelectric material with diamond-like structure”, Chemical Communications 48(32), pp 3818-3820, 2012.?
15. Peifeng Qiu, Ruiheng Liu, Jiong Yang, Xun Shi*, Xiangyang Huang, Wenqing Zhang,? Lidong Chen, Jihui Yang, David J Singh, “Thermoelectric properties of Ni-doped CeFe4Sb12 skutterudites” Journal of Applied Physics 111, pp 023705, 2012.?