扎根热电探索 心系祖国能源——记中国科学院物理研究所研究员赵怀周及其科研团队

孙雅琴

赵怀周

能源是人类赖以生存的基础。我国拥有着世界第二大能源系统，但同时也有着庞大的人口，能源供需正面临着严峻挑战，常规能源资源仅占世界总量的10.7%，人均能源资源占有量远低于世界平均水平。随着全球工业化进程的加快，世界能源短缺和枯竭已经成为每个国家不容忽视的问题，严重制约着社会长期稳定发展。在这一背景下，全球各国对新型环保能源替代材料的重视度不断提升。

20世纪90年代以来，热电材料的研究成为材料科学的一个研究热点。热电材料的应用不需要使用传动部件，工作时无噪声、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠、使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环境友好材料。几十年来，各国科研工作者在热电材料的开发应用中，做出了诸多开拓性探索，而这其中更不乏中国科学家的身影。中国科学院物理研究所研究员赵怀周及其科研团队就是其中的优秀代表。

瞄准我国的能源现状，赵怀周长期从事热电材料、热电输运新机制、热电器件与应用系统研究。他和研究团队将基础研究与应用研究相结合，服务于祖国的工业发展及人民生活。在打通相关材料与器件产业应用的道路上，他们孜孜不倦，求索不辍，力求用科研成果为我国社会及能源发展注入新的动力。

远渡重洋，汲取先进科研思想

21世纪初，我国的科学研究事业发展得如火如荼。当时为了能够接受到更多先进的科研思想，很多青年学子决心走出国门，开阔自己的研究视野。彼时的赵怀周刚从中国科学院物理研究所获得博士学位，便怀着接受国外先进科研思想的决心，漂洋过海，来到了美国波士顿学院物理系从事博士后研究工作。

在那里，赵怀周师从任志锋教授开展科研工作。“任教授对于纳米科技、化学、生物传感器和新能源方面的研究都有着充足的经验，在研究中他也会根据每位学生的研究优势与特点，让学生充分发挥自身的潜能开展研究工作。”赵怀周说。

在任志锋教授的课题组中，汇集了来自美国、印度、尼泊尔等国的科研工作者。沉浸在各国研究学者互相交流、互相学习的氛围中，赵怀周度过了一段难忘的科研之旅。博士后阶段初期，赵怀周主要从事纳米器件的相关研究工作，在任志锋教授的引领下，他在相关领域积累了丰富的经验，同时也取得了一些创新性科研成果。基于赵怀周先前在研究中所打下的坚实基础，任志锋教授结合相关领域的发展现状及发展前景，建议其接触一些热电领域的研究工作。

“科研人深耕一个领域，往往需要10年或者更久才会有很大的成果积累。”因此，最初赵怀周在更换研究方向前，也有一些迟疑。但经过反复衡量，他还是决定勇敢跳出“舒适区”，开始在热电材料领域开展一段全新的旅程。通过在这一研究领域深耕，他愈加体会到了热电材料研究的意义，并决心在这一方向中努力前行下去。

创新不倦，科研报效祖国

能源问题是21世纪的重大课题。近十几年来，我国经济的发展与能源需求之间的关系，越来越受到全社会的关注。在赵怀周看来，能源问题无小事，相关能源材料的探索更是迫在眉睫。伴随着越来越多的中国科研团队投入到这一领域研究中，我国的热电材料也在这十几年的科研进程中发展得如火如荼。

“虽然热电材料在清洁能源里边属于一个小众领域，但是中国的很多科研团队都做得非常有特色。”赵怀周说。正是在这一大背景下，从国外学成归国的赵怀周开始在自己的“母校”——中国科学院物理研究所继续开展热电材料、热电输运新机制、热电器件与应用系统研究，以服务于祖国热电材料领域的发展。

根据新思界产业研究中心发布的《2021年中国热电材料行业经营数据监测及发展前景展望分析报告》，热电材料在电子制冷、汽车尾气处理、特殊电源、余热发电、精密制冷器件等领域有着良好的应用前景。全球范围内，从事热电材料研究和生产的企业有KELK、MELCOR、RMT等。而在中国，中国科学院物理研究所则是最早研究半导体热电材料的单位。从2014年回国到现在，赵怀周一直根据我国的能源发展及热电材料应用现状，全神贯注地投身到科学研究之中，开展了诸多创新性科研探索。

生活中有许多耗费能源生成却又被废弃的热能，例如汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等。如果能将这些热能善加利用，即可再次成为可用能源。虽然热电材料是一类可直接实现热能与电能转换的材料，在废热利用领域极具潜力，但是，现有热电材料组装的发电器件效率偏低，无法满足能源利用需求，迫切需要变革性技术开发出新概念热电材料与器件，破解低品位热能利用难题。“一般来说，在工业生产中，300℃以下热能很难进行高效发电，如果能将这一区域内的热能进行回收利用，对我国的能源发展是大有裨益的。”赵怀周说。

在这一背景下，赵怀周主持了国家重点研发计划项目课题“基于激光诱导的低维异质界面热电薄膜的快速制备与性能调控”。在这一项目的支撑下，赵怀周和团队成员们将利用研究激光与热电材料之间的吸收与能级匹配关系，发展激光诱导物理气相沉积技术及相关工艺；研究工艺参数与高取向结构调控的相关性；揭示激光能量密度、脉宽、重频、波长、加载时间等激光参数对薄膜非平衡态定向生长的影响规律；构建薄膜微观结构与热电性能之间的关系，实现高性能热电薄膜的快速制备。

“我们的目标就是要把热电器件的能量转换效率做到10%，虽然这一目标从理论上讲是可行的，但实际上要做到这一目标尺寸，难度还是很大的，目前我们已经可以将器件的能量转换效率做到8%、9%这样一个水平，还在无限接近最终目标。”赵怀周说。目前这一项目还在稳步进行中。

除此之外，赵怀周团队近期在基于新材料的下一代高性能热电制冷模块方面取得重要成果，文章很快被能源类顶级刊物Joule接受，编辑评价“We look for breakthrough research that has real-world energy impact and influence, and we feel there is a case here, particularly in view of the high performance and robust stability that you report（我们一直寻找在能源领域里具有现实影响力的突破性工作，这项工作就是一个范例，特别是在器件的高性能和稳定性方面）”。

顶天立地，将科研成果落地生根

纵观国际热电材料领域的发展现状，中国的热电材料技术研究，在全世界处于领先地位，国内从事相关领域研究的科研工作者，也是世界上最多的。但在多年的研究探索中，一些“卡脖子”问题至今还制约着我国在热电材料领域的发展。“在热电制冷这个方向中，我们在高端材料和器件的研发中还有极大的提升空间，以至于关键器件仍在受国外制约。”赵怀周说。

认清形势及我国在热电材料领域所处的短板，才能更好地解决问题。多年来在科研道路上摸爬滚打，赵怀周始终认为科研技术以及产业化成果是研究的重要组成部分。在他看来，科学研究的顶天立地，不仅是能真正解决实际问题，更要在科研的高度上进行引领。“科研成果要么在书架上要么就在货架上。”赵怀周真挚地说。而他和研究团队一直致力的便是——用科研成果真正为社会谋福利。

北京的怀柔区，天高地广、偏远安静，在这里的科学城，赵怀周团队建立了600平方米的实验基地，在这个“梦想中的实验室”里，赵怀周和科研团队开始大展拳脚。

在这里，赵怀周团队设计出了国内首台热挤压碲化铋材料的试验样机。“过去我们一直在研究这种被国外‘卡脖子’的新材料，但受限于以前的场地条件，一直没制作出样机。”赵怀周坦言。自从搬到怀柔科学城的材料基因组平台后，赵怀周的团队实验空间扩大了好几倍，设备也是量质齐飞，加速了科研成果产出。

在赵怀周的介绍下，记者了解到：热挤压碲化铋材料机械性能高于常规区熔法制备的碲化铋，可以被切分得非常微小，因此是制作热电微型芯片的重要材料。但过去，这种材料一直被国外垄断。而自从赵怀周的团队“解锁”了制作这种材料的新技术后，已经有多家热电芯片制作企业有意合作。

科研成果的产业化并不能一蹴而就，产业一线的形势更需要实时跟进。为了将科研成果更好地服务于产业发展，即使是假期，赵怀周和课题组的学生们也会分批轮休，早早回到场地，保证设备的顺利运行。在产业一线遇到一些技术问题时，他们也会利用自己的专业优势，帮助企业解决所遇到的技术问题。现如今，赵怀周的科研团队正在和国内的相关企业在热电制冷材料及制冷器件的开发中展开着友好合作。

科研团队合影（前排左四为赵怀周）

坚持奔跑，和团队一起协同攻关

科研的旅程坎坷常在。最初回国的两年，赵怀周坦言自己也承受着很大的思想压力。在他看来，科学研究是一场长跑，克服困难的方式就是让自己变强大。每当自己被压力裹挟，赵怀周总是会选择用长跑的方式，使自己的精神得到放松。如今这一习惯已经坚持了5年，每个星期他都会跑四五十公里。慢慢地，赵怀周的心态愈加平稳，脚踏实地投身科研，也让他在研究领域收获了理想硕果。

如今，回首一路走过的科研历程，赵怀周感慨颇多。在一系列科研成果的背后，赵怀周最感谢的就是自己的团队成员。作为课题组的带头人，赵怀周和李国栋副研究员、朱航天副研究员和钟韧财务助理在团队中分工合作，目前课题组已经发展到十几位成员，并承担了许多国家级的科研任务。在赵怀周看来，团队的科研成果正是大家团结起来共同努力的结晶。

“没有团队成员们互相帮助，很多科研问题是无法解决的。而大家一起攻坚克难，成果做得越好也就会有越来越多的资源往团队汇聚。”赵怀周说。在他看来，这就是一个正向的积累过程。

在此之前，赵怀周在美国求学时，实验室的logo是一个鸬鹚口中含着一只青蛙，正当鸬鹚要把青蛙吞咽下去时，青蛙的两只手抓住了鸬鹚的脖子。回国后，赵怀周也将这张图片打印了下来，贴在了自己的实验室中，时刻警醒着自己，尽管有时科学研究的处境艰难，但永远不要放弃自己向前探索的希望，就像赵怀周的美国导师说的一样：“Anytime if I can push science one step further，I will do（任何时候只要我能够将科学往前推动一点，我都会去做这个事情）。”对于科学研究的热爱及初心，赵怀周始终坚定。如今，在实验室条件愈加完备的状况下，他也希望自己的学生们能够在这样的科研环境中，发挥自己的主观能动性，做出更多有意义的研究工作。

一直以来，赵怀周所心系的都是整个热电材料领域的发展。他深知：我国的热电材料领域与相关产业的衔接旧存在着很大的短板，很多研究团队仍在国内产业中仍难以寻找到切入点。科研之外，赵怀周也会经常召集一些领域内的相关研究者，举办一些热电材料相关的会议。除了能在会议上给予更多年轻学者崭露头角的机会，赵怀周还想借着组织会议的时机，鼓励领域内的研究工作者不要丧失信心，只要大家脚踏实地、协同突破，一定能打通科学技术与应用之间的通道。

对于未来，赵怀周及其研究团队仍旧使命在肩。“近些年来我们已经在热电材料领域，蹚出了一条属于自己团队的特色研究道路。今后，我们还希望能够继续将研究聚焦在国家的‘卡脖子’技术问题上，将研究做实。”赵怀周说。除此之外，在基础研究方面，他们还将在中国科学院物理研究所这一平台的支撑下，将研究继续扎根，和产业界碰撞出更大的火花。

在科学研究的长跑中，赵怀周及其研究团队健步如飞。