来源 | Science、微算云平台、高分子科学前沿

链接 | https://doi.org/10.1126/science.adt2741

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9年12篇《Science》：赵立东教授的热电材料研究轨迹全回顾

从第一篇《Science》起步，到如今第十二篇问世，赵立东教授的科研轨迹贯穿了材料物理与器件创新的多个前沿方向。

这一次，他与北航团队将磁电传感与热电冷却“合二为一”，为柔性热管理器件打开了全新局面。

开始之前，我们不妨一同回顾赵老师在过去九年间发表的前11篇《Science》成果——每一篇，都是热电材料与热管理技术进化的里程碑。
感兴趣的读者可点击文末DOI链接阅读全文。

（01）2016年：超高功率因数和热电性能的空穴掺杂单晶SnSe

Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe,

(Science, 2016, DOI: 10.1126/science.aad3749)

（02）2018年：获得最大ZT值的SnSe晶体

3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals,

(Science, 2018, DOI:10.1126/science.aaq1479)

（03）2019年：低成本SnS0.91Se0.09晶体中的高热电性能

High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals,

(Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aax5123)

（04）2020年：寻找新型、高效的热电材料

Seeking new, highly effective thermoelectrics,

(Science, 2020, DOI: 10.1126/science.aaz9426)

（05）2021年：多能带动量与能量协同调控，实现热电发电与制冷双功能

Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments

(Science, 2021, DOI:10.1126/science.abi8668)

（06）2022年：通过层状声子-电子解耦，显著提升热电性能

High thermoelectric performance realized through manipulating layered phonon-electron decoupling

(Science, 2022, DOI:10.1126/science.abn8997 )

（07）2022年：热流加速=更强制冷：揭示热电冷却效率的动态机制

Moving fast makes for better cooling

(Science, 2022, DOI: 10.1126/science.ade9645 )

（08）2023年：晶格“平整化”策略推动SnSe晶体热电性能再突破

Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline  thermoelectrics

(Science, 2023, DOI:10.1126/science.adg7196)

（09）2024年：网格平整化赋能PbSe热电材料，性能超越Bi₂Te₃

Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te4

(Science, 2024, DOI:10.1126/science.adk9589)

（10）2024年：回顾锡化合物热电材料的发展与影响

The development and impact of tin selenide on thermoelectrics

(Science, 2024, DOI: 10.1126/science.adk95)

（11）2025年：四重能带协同策略，实现地丰锡化物的高效热电性能

Quadruple-band synglisis enables high thermoelectric efficiency in earth-abundant tin sulfide crystals

(Science, 2025, DOI:10.1126/science.ado1133)

01

背景介绍

磁电（ME）传感通过耦合铁电极化与磁化，相比传统的霍尔效应和磁阻传感器，能够提供低功耗和成本效益。作为传感性能的关键指标，磁电系数通常在单相材料中受到限制，铁电性（倾向于空的d轨道）和磁性（倾向于部分填充的d轨道）之间存在固有的权衡。为解决这种竞争，人们开发了结合各种铁性组分的复合结构，实现了比单相材料高几个数量级的磁电系数。早期的例子包括垂直排列的纳米复合材料，例如在BaTiO3基体中的CoFe2O4纳米柱，它们形成了自组装的六角形阵列。这些复合材料通过独立调节铁性序以实现协同耦合，从而增强了磁电系数。在各种磁电响应中，磁电容（MC）效应因其低功耗和微型化潜力而受到关注，其特征是电容随磁场变化。然而，已报道的磁电复合材料中的典型MC系数仍然很低（通常<1%），这归因于弱的应变耦合和界面能量传递效率低下，限制了它们在需要高灵敏度、快速响应和操作稳定性场景中的实际应用。

近期的进展，包括原子尺度的逐层生长、超晶格制备以及在BaTiO3中通过界面诱导实现室温磁电效应，强调了通过材料设计和界面工程增强铁电和铁磁耦合的潜力。然而，当前的铁磁组分通常是刚性的无机材料，将结晶增强的组分策略限制在刚性超晶格中。将柔性聚合物纳入复合材料提供了多样性，但带来了挑战。在动态机械作用下，聚合物链发生段运动，通过内摩擦导致大量能量耗散。聚合物-无机界面处的高能量耗散极大地削弱了磁电效应。因此，制造具有强磁电耦合的柔性复合材料仍然是一个挑战。

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成果掠影

近日，北京航空航天大学赵立东教授，刘明杰教授和李景教授等人通过界面共结晶策略制备了坚固的磁电聚合物-无机纳米复合材料。利用对钒二硒化物（VSe2）单层的重氮化学，在铁磁性VSe2和铁电聚偏二氟乙烯（PVDF）纳米晶体之间创建了亚分子级平整的界面。这种高度结晶的界面几乎没有可移动的聚合物链，从而限制了能量耗散并增强了界面能量传递。这种可扩展的复合膜展现出卓越的磁电性能，磁电容系数达到23.6%。这些膜能够实现超快速的磁电检测，与传统传感器相比，速度提高了近10倍，并为将热电制冷器等多功能材料集成到可穿戴设备中提供了机会。研究成果以“Strain-coupled, crystalline polymer-inorganic interfaces for efficient magnetoelectric sensing”为题发表《 Science》上。

03

图文导读

图1：强磁电薄膜的制备。

图2：VSe2单层、VSe2-COOH单层和PVDF-VSe2-COOH超晶格的结构表征。

图3：PVDF-VSe2-COOH超晶格的结晶和界面相互作用表征。

图4：纳米复合材料的铁磁特性。

图5：磁电传感器的用途。

刘明杰， 1982年11月生，无党派代表人士，北京航空航天大学化学学院教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。现任北京航空航天大学化学学院院长。主要从事仿生功能力学高分子复合凝胶材料的研究，并开展了其在可穿戴设备、减振降噪及防污减阻涂层等领域的应用探索。近年来在国际著名学术期刊如Nature, Nature Mater., Nature Rev. Mater., Nature Commun., Angew. Chem. Int.Ed., Adv. Mater.等上发表SCI论文50余篇，SCI总他引1700余次。

赵立东，北航材料科学与工程学院教授，博士生导师。分别在2001和2005年获得辽宁工程技术大学（原阜新矿业学院）金属材料及热处理专业学士和材料学专业硕士学位。2009年获得北京科技大学材料学专业博士学位。2009-2011年，法国巴黎十一大学 (Université Paris-Sud) 奥赛分子化学与材料学院（Institute for Molecular Chemistry and Materials in Orsay）博士后。2011-2014年，美国西北大学 (Northwestern University) 化学系博士后。先后获得了中组部青年人才计划（QQ）、北京市师德先锋、国际热电学会青年科学家、北京市杰青、教育部CJ学者特聘教授、国家杰青、科睿唯安全球高被引学者（2019-2022）、科学探索奖。已在Nature和Science等期刊上发表重要论文270余篇，被引用3万余次，H因子80。

李景，1989年出生于湖北。2016年于中国科学院化学研究所获博士学位，2016-2022年在新加坡国立大学从事博士后研究工作。2021年获国家高层次青年人才（海外）项目资助，2022年4月加入北京航空航天大学化学学院任准聘教授、博士生导师。主要从事低维纳米材料的表界面结构研究，致力于解决低维材料的高质量制备和表面结构的化学调控问题，并开展了其在光电器件、电化学催化等领域的应用探索。基于以上研究工作，近年来在国际著名学术期刊如Nat. Mater., J. Am. Chem. Soc., Chem. Mater., 等杂志发表SCI论文50