史迅，研究员，课题组长 

xshi@mail.sic.ac.cn

　　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： 

1. 国际热电学会Young Investigator Award （2010年） 
2. 上海市“浦江人才”（2011年） 
3. 上海市科技系统青年五四奖章（2012年） 
4. 国家自然科学基金“优秀青年科学基金”（2012年） 
5. 上海市自然科学一等奖（排名第三，2012年） 
6. 中国科学院青年科学家国际合作奖（2012年） 
7. 国家自然科学二等奖（排名第三，2013年） 
8. 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Cu_2-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： 

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. 刘灰礼，何颖，史迅*，郭向欣，陈立东*，“‘声子液体’热电材料研究进展”，科学通报，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. 宋君强, 史迅*, 张文清*, 陈立东, “热电材料的热输运调控及其在微型器件中的应用”, 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.