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姓 名:
史迅
性    别:
专家类别:
研究员
学 历:
博士研究生
电 话:
021-52412803
传 真:
电子邮件:
xshi@mail.sic.ac.cn
个人主页:
邮政编码:
200050
通讯地址:

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,美美国通用汽车公司研发中心,research staff

  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: 

  万人计划领军人才(2017年) 

  国家杰出青年科学基金(2016年) 

  中国科学院青年科学家奖(2016年) 

  科技部中青年科技创新领军人才(2015年) 

  上海市优秀学科带头人(2015年) 

  上海市长宁区第八轮专业技术拔尖人才(2013年) 

  国家自然科学二等奖(排名第32013年) 

  上海市长宁区优秀青年标兵(2013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32012年) 

  中国科学院青年科学家国际合作奖(2012年) 

  上海市科技系统青年五四奖章(2012年) 

  上海市浦江人才2011年) 

  国际热电学会Young Investigator Award 2010年) 

  科研工作简介: 

  主要从事电子与声子输运、热电能量转换材料的设计与合成、无机塑性半导体材料的研究。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。我们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. 无机塑性半导体 

  柔性热电能量转换技术可将环境中无处不在的温差转化为电能输出,有望应用于以分布式、可穿戴式、植入式为代表的新一代智能微纳电子系统。柔性电子的快速发展依赖高效且可弯曲变形的电子器件,其中作为核心组元的半导体迫切需要同时具备高性能和柔性化。然而,目前的无机半导体均为脆性材料,在大弯曲或大变形下极易发生断裂进而导致器件失效;而有机半导体虽然具有良好的柔性和弯曲性能,但载流子迁移率远低于无机材料,难以实现优良的电学性能。我们发现首个无机柔性半导体Ag2S,其块体材料与金属相似具有良好的柔性、延展性和可弯曲性,在外力和大应变下不发生材料的破碎,其压缩变形最大可以达到50%以上,三点弯曲最大形变超过20%,拉伸形变可达4.2%。室温下Ag2S具有锯齿形褶皱层状单斜结构,存在能量势垒较小的(100)滑移面;同时,滑移面之间的相互作用力比较大,在滑移过程中不易产生裂纹和解离。量子化学计算表明,在滑移过程中当旧的Ag-S键减弱和断裂的同时,不断生成新的Ag-S键,致使(100)滑移面一直维持在Ag-S的成键状态,材料在滑移过程中受到阻力较小;同时Ag-S键的连续断裂与生成过程又保证了滑移面之间较强的作用力,避免了裂纹的产生甚至材料的解离。Ag2S在室温下的载流子浓度和热电性能极低,并不是一个理想的热电材料。申请人合成了一系列SeTe固溶的Ag2S,发现Ag间隙离子的缺陷形成能显著降低,电输运性能获得明显改善,在室温时热电优值提高至0.44。当SeTe的成分在20%-60%区间时,材料兼具良好的塑性和热电性能。制备的由nAg2S0.5Se0.5pPt-Rh线构成的面内型热电发电器件,在20 K温差下,最大归一化功率密度达到0.08W·m-1,比目前最好的纯有机热电器件高2个数量级。最后,我们还在二维材料中发现了具有超常塑性的InSe晶体。对二维材料而言,单层或薄层样品很容易发生弹性变形,表现出一定的柔性;然而,当厚度增大时,通常二维材料因其较弱的层间范德华力极易发生解理,因此块体形态下的变形能力很差。而该研究发现,不同于多晶形态下的脆性行为,InSe单晶二维材料在块体形态下可以弯折、扭曲而不破碎,甚至能够折成“纸飞机”、弯成莫比乌斯环,表现出罕见的大变形能力。非标力学试验结果进一步证实了材料的超常塑性,其压缩工程应变可达80%,特定方向的弯曲和拉伸工程应变也高于10%      

    

  3.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PbTeSiGeBi2Te3skutterudite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CuInTe2CuGaTe2,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。 

 

  4.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。 

  5.笼状结构化合物 

  三维笼状结构方钴矿化合物(CoSb3)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(SbCo)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NaKSr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-YbBa-La-Yb)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1.11.2,系列双填体系达到1.41.5Ba-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.Wei, Tian-Ran; Jin, Min; Wang, Yuecun; Chen, Hongyi; Gao, Zhiqiang; Zhao, Kunpeng; Qiu, Pengfei; Shan, Zhiwei; Jiang, Jun; Li, Rongbin; Chen, Lidong; He, Jian; Shi, Xun; “Exceptional plasticity in the bulk single-crystalline van der Waals semiconductor InSe”, SCIENCE, 369 (6503), 542 (2020). 

2.Deng, Tingting; Wei, Tian-Ran; Huang, Hui; Song, Qingfeng; Zhao, Kunpeng; Qiu, Pengfei; Yang, Jiong; Chen, Lidong; Shi, Xun; “Number mismatch between cations and anions as an indicator for low lattice thermal conductivity in chalcogenides”, NPJ COMPUTATIONAL MATERIALS, 6 (1), 81 (2020). 

3.Xu, Qing; Qu, Sanyin; Ming, Chen; Qiu, Pengfei; Yao, Qin; Zhu, Chenxi; Wei, Tian-Ran; He, Jian; Shi, Xun; Chen, Lidong; “Conformal organic-inorganic semiconductor composites for flexible thermoelectrics”, ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE, 13 (2), 511-518 (2020). 

4.Mao, Tao; Qiu, Pengfei; Du, Xiaolong; Hu, Ping; Zhao, Kunpeng; Xiao, Jie; Shi, Xun; Chen, Lidong; “Enhanced Thermoelectric Performance and Service Stability of Cu2Se Via Tailoring Chemical Compositions at Multiple Atomic Positions”, ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS, 1908315 (2020). 

5.Mao, Tao; Qiu, Pengfei; Hu, Ping; Du, Xiaolong; Zhao, Kunpeng; Wei, Tian-Ran; Xiao, Jie; Shi, Xun; Chen, Lidong; “Decoupling Thermoelectric Performance and Stability in Liquid-Like Thermoelectric Materials”, ADVANCED SCIENCE, 1901598 (2020).

6.Liang, Jiasheng; Wang, Tuo; Qiu, Pengfei; Yang, Shiqi; Ming, Chen; Chen, Hongyi; Song, Qingfeng; Zhao, Kunpeng; Wei, Tian-Ran; Ren, Dudi; Sun, Yi-Yang; Shi,  Xun; He, Jian; Chen, Lidong; ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE, 12 (10), 2983-2990 (2019).

7.Zhao, Kunpeng; Liu, Ke; Yue, Zhongmou; Wang, Yancheng; Song, Qingfeng; Li, J Jian; Guan, Mengjia; Xu, Qing; Qiu, Pengfei; Zhu, Hong; Chen, Lidong; Shi, Xun; “Are Cu2Te-Based Compounds Excellent Thermoelectric Materials?”, ADVANCED MATERIALS, 1903480 (2019).

8.Qiu, Pengfei; Mao, Tao; Huang, Zhongfu; Xia, Xugui; Liao, Jincheng; Agne, Matthias T.; Gu, Ming; Zhang, Qihao; Ren, Dudi; Bai, Shengqiang; Shi, Xun; Snyder, G. Jeffrey; Chen, Lidong; “High-Efficiency and Stable Thermoelectric Module Based on Liquid-Like Materials”, JOULE, 3 (6), 1538-1548 (2019). 

9.Chen, Hongyi; Yue, Zhongmou; Ren, Dudi; Zeng, Huarong; Wei, Tianran; Zhao, Kunpeng; Yang, Ronggui; Qiu, Pengfei; Chen, Lidong; Shi, Xun; “Thermal Conductivity during Phase Transitions”, ADVANCED MATERIALS, 31 (6), 1806518 (2019).

10.Wei, Tian-Ran; Guan, Mengjia; Yu, Junjie; Zhu, Tiejun; Chen, Lidong; Shi, Xun; “How to Measure Thermoelectric Properties Reliably”, JOULE, 2 (11), 2183-2188 (2018).

11.Qiu, Pengfei; Agne, Matthias T.; Liu, Yongying; Zhu, Yaqin; Chen, Hongyi; Mao, Tao; Yang, Jiong; Zhang, Wenqing; Haile, Sossina M.; Zeier, Wolfgang G.; Janek, Juergen; Uher, Ctirad; Shi, Xun; Chen, Lidong; Snyder, G. Jeffrey; “Suppression of atom motion and metal deposition in mixed ionic electronic conductors”, NATURE COMMUNICATIONS, 9, 2910 (2018).

12.Shi, Xun; Chen, Hongyi; Hao, Feng; Liu, Ruiheng; Wang, Tuo; Qiu, Pengfei; Burkhardt, Ulrich; Grin, Yuri; Chen, Lidong; “Room-temperature ductile inorganic semiconductor”, NATURE MATERIALS, 17 (5), 421-426 (2018).

13.Qiu, Pengfei; Qin, Yuting; Zhang, Qihao; Li, Ruoxi; Yang, Jiong; Song, Qingfeng; Tang, Yunshan; Bai, Shengqiang; Shi, Xun; Chen, Lidong; “Intrinsically High Thermoelectric Performance in AgInSe2 n-Type Diamond-Like Compounds”, ADVANCED SCIENCE, 5 (3), 1700727 (2018).

14.Zhao, Kunpeng; Zhu, Chenxi; Qiu, Pengfei; Blichfeld, Anders B.; Eikeland, Espen; Ren, Dudi; Iversen, Bo B.; Xu, Fangfang; Shi, Xun; Chen, Lidong; “High thermoelectric performance and low thermal conductivity in Cu2-yS1/3Se1/3Te1/3 liquid-like materials with nanoscale mosaic structures”, NANO ENERGY, 42, 43-50 (2017).

15.Zhao, Kunpeng; Duan, Haozhi; Raghavendra, Nunna; Qiu, Pengfei; Zeng, Yi; Zhang, Wenqing; Yang, Jihui; Shi, Xun; Chen, Lidong; “Solid-State Explosive Reaction for Nanoporous Bulk Thermoelectric Materials”, ADVANCED MATERIALS, 29 (42), 1701148 (2017).

16.Zhao, Kunpeng; Blichfeld, Anders Bank; Chen, Hongyi; Song, Qingfeng; Zhang, Tiansong; Zhu, Chenxi; Ren, Dudi; Hanus, Riley; Qiu, Pengfei; Iversen, Bo B.; “Enhanced Thermoelectric Performance through Tuning Bonding Energy in Cu2Se1-xSx Liquid-like Materials”, CHEMISTRY OF MATERIALS, 29 (15),  6367-6377 (2017). 

17.Nunna, Raghavendra; Qiu, Pengfei; Yin, Meijie; Chen, Hongyi; Hanus, Riley; Song, Qingfeng; Zhang, Tiansong; Chou, Mei-Yin; Agne, Matthias T.; He, Jiaqing; Snyder, G. Jeffrey; Shi, Xun; Chen, Lidong; “Ultrahigh thermoelectric performance in Cu2Se-based hybrid materials with highly dispersed molecular CNTs”, ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE, 10 (9), 1928-1935 (2017). 

18.Hao, Feng; Qiu, Pengfei; Tang, Yunshan; Bai, Shengqiang; Xing, Tong; Chu, Hsu-Shen; Zhang, Qihao; Lu, Ping; Zhang, Tiansong; Ren, Dudi; “High efficiency Bi2Te3-based materials and devices for thermoelectric power generation between 100 and 300 degrees C”, ENERGY & ENVIRONMENTAL SCIENCE, 9 (10), 3120-3127 (2016).

19.Qiu, Pengfei; Shi, Xun; Chen, Lidong; “Cu-based thermoelectric materials”, ENERGY STORAGE MATERIALS, 3, 85-97 (2016).

20.Shi X, Chen L, Uher C, “Recent advances in high-performance bulk thermoelectric materials”, INTERNATIONAL MATERIALS REVIEWS, 61 (6), 379-415 (2016).

21.Shi Xun; Chen Lidong; “Thermoelectric materials step up”, NATURE MATERIALS, 15 (7), 691-692 (2016).

22.He, Ying; Zhang, Tiansong; Shi, Xun; Wei, Su-Huai; Chen, Lidong, “High thermoelectric performance in copper telluride”, NPG Asia Materials, 7, e210 (2015)

23.He, Ying; Lu, Ping; Shi, Xun*; Xu, Fangfang; Zhang, Tiansong; Snyder, Gerald Jeffrey; Uher, Ctirad; Chen, Lidong, “Ultrahigh Thermoelectric Performance in Mosaic Crystals”, ADVANCED MATERIALS, 27 (24) 3639-3644 (2015).

24.Pengfei Qiu, Tiansong Zhang, Yuting Qiu, Xun Shi,* and Lidong Chen*, “Sulfide bornite thermoelectric material: a natural mineral with ultralow thermal conductivity”, Energy Environ. Sci., 7, 4000-4006 (2014).

25.Ying He, Tristan Day, Tiansong Zhang, Huili Liu, Xun Shi,* Lidong Chen,* and G. Jeffrey Snyder*, “High thermoelectric performance in non-toxic earth-abundant copper sulfide”, Adv. Mater. 26, 3974-3978 (2014).

26.Jiawei Zhang, Ruiheng Liu, Nian Cheng, Yubo Zhang, Jihui Yang, Ctirad Uher, Xun Shi,* Lidong Chen,* and Wenqing Zhang*, “High-performance pseudocubic thermoelectric materials from non-cubic chalcopyrite compounds”, Adv. Mater. 26, 3848-3853 (2014).

27.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.

28.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.

29.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.

30.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.

研究方向:
职称:
职务:
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