扎根熱電探索 心系祖國能源
——記中國科學(xué)院物理研究所研究員趙懷周及其科研團隊

孫雅琴

趙懷周

能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)。我國擁有著世界第二大能源系統(tǒng)，但同時也有著龐大的人口，能源供需正面臨著嚴峻挑戰(zhàn)，常規(guī)能源資源僅占世界總量的10.7%，人均能源資源占有量遠低于世界平均水平。隨著全球工業(yè)化進程的加快，世界能源短缺和枯竭已經(jīng)成為每個國家不容忽視的問題，嚴重制約著社會長期穩(wěn)定發(fā)展。在這一背景下，全球各國對新型環(huán)保能源替代材料的重視度不斷提升。

20世紀90年代以來，熱電材料的研究成為材料科學(xué)的一個研究熱點。熱電材料的應(yīng)用不需要使用傳動部件，工作時無噪聲、無排棄物，和太陽能、風(fēng)能、水能等二次能源的應(yīng)用一樣，對環(huán)境沒有污染，并且這種材料性能可靠、使用壽命長，是一種具有廣泛應(yīng)用前景的環(huán)境友好材料。幾十年來，各國科研工作者在熱電材料的開發(fā)應(yīng)用中，做出了諸多開拓性探索，而這其中更不乏中國科學(xué)家的身影。中國科學(xué)院物理研究所研究員趙懷周及其科研團隊就是其中的優(yōu)秀代表。

瞄準(zhǔn)我國的能源現(xiàn)狀，趙懷周長期從事熱電材料、熱電輸運新機制、熱電器件與應(yīng)用系統(tǒng)研究。他和研究團隊將基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究相結(jié)合，服務(wù)于祖國的工業(yè)發(fā)展及人民生活。在打通相關(guān)材料與器件產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的道路上，他們孜孜不倦，求索不輟，力求用科研成果為我國社會及能源發(fā)展注入新的動力。

遠渡重洋，汲取先進科研思想

21世紀初，我國的科學(xué)研究事業(yè)發(fā)展得如火如荼。當(dāng)時為了能夠接受到更多先進的科研思想，很多青年學(xué)子決心走出國門，開闊自己的研究視野。彼時的趙懷周剛從中國科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，便懷著接受國外先進科研思想的決心，漂洋過海，來到了美國波士頓學(xué)院物理系從事博士后研究工作。

在那里，趙懷周師從任志鋒教授開展科研工作?！叭谓淌趯τ诩{米科技、化學(xué)、生物傳感器和新能源方面的研究都有著充足的經(jīng)驗，在研究中他也會根據(jù)每位學(xué)生的研究優(yōu)勢與特點，讓學(xué)生充分發(fā)揮自身的潛能開展研究工作。”趙懷周說。

在任志鋒教授的課題組中，匯集了來自美國、印度、尼泊爾等國的科研工作者。沉浸在各國研究學(xué)者互相交流、互相學(xué)習(xí)的氛圍中，趙懷周度過了一段難忘的科研之旅。博士后階段初期，趙懷周主要從事納米器件的相關(guān)研究工作，在任志鋒教授的引領(lǐng)下，他在相關(guān)領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗，同時也取得了一些創(chuàng)新性科研成果。基于趙懷周先前在研究中所打下的堅實基礎(chǔ)，任志鋒教授結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景，建議其接觸一些熱電領(lǐng)域的研究工作。

“科研人深耕一個領(lǐng)域，往往需要10年或者更久才會有很大的成果積累?！币虼?，最初趙懷周在更換研究方向前，也有一些遲疑。但經(jīng)過反復(fù)衡量，他還是決定勇敢跳出“舒適區(qū)”，開始在熱電材料領(lǐng)域開展一段全新的旅程。通過在這一研究領(lǐng)域深耕，他愈加體會到了熱電材料研究的意義，并決心在這一方向中努力前行下去。

創(chuàng)新不倦，科研報效祖國

能源問題是21世紀的重大課題。近十幾年來，我國經(jīng)濟的發(fā)展與能源需求之間的關(guān)系，越來越受到全社會的關(guān)注。在趙懷周看來，能源問題無小事，相關(guān)能源材料的探索更是迫在眉睫。伴隨著越來越多的中國科研團隊投入到這一領(lǐng)域研究中，我國的熱電材料也在這十幾年的科研進程中發(fā)展得如火如荼。

“雖然熱電材料在清潔能源里邊屬于一個小眾領(lǐng)域，但是中國的很多科研團隊都做得非常有特色。”趙懷周說。正是在這一大背景下，從國外學(xué)成歸國的趙懷周開始在自己的“母?！薄袊茖W(xué)院物理研究所繼續(xù)開展熱電材料、熱電輸運新機制、熱電器件與應(yīng)用系統(tǒng)研究，以服務(wù)于祖國熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。

根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心發(fā)布的《2021年中國熱電材料行業(yè)經(jīng)營數(shù)據(jù)監(jiān)測及發(fā)展前景展望分析報告》，熱電材料在電子制冷、汽車尾氣處理、特殊電源、余熱發(fā)電、精密制冷器件等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。全球范圍內(nèi)，從事熱電材料研究和生產(chǎn)的企業(yè)有KELK、MELCOR、RMT等。而在中國，中國科學(xué)院物理研究所則是最早研究半導(dǎo)體熱電材料的單位。從2014年回國到現(xiàn)在，趙懷周一直根據(jù)我國的能源發(fā)展及熱電材料應(yīng)用現(xiàn)狀，全神貫注地投身到科學(xué)研究之中，開展了諸多創(chuàng)新性科研探索。

生活中有許多耗費能源生成卻又被廢棄的熱能，例如汽車尾氣、工廠鍋爐排放的氣體等。如果能將這些熱能善加利用，即可再次成為可用能源。雖然熱電材料是一類可直接實現(xiàn)熱能與電能轉(zhuǎn)換的材料，在廢熱利用領(lǐng)域極具潛力，但是，現(xiàn)有熱電材料組裝的發(fā)電器件效率偏低，無法滿足能源利用需求，迫切需要變革性技術(shù)開發(fā)出新概念熱電材料與器件，破解低品位熱能利用難題?！耙话銇碚f，在工業(yè)生產(chǎn)中，300℃以下熱能很難進行高效發(fā)電，如果能將這一區(qū)域內(nèi)的熱能進行回收利用，對我國的能源發(fā)展是大有裨益的?！壁w懷周說。

在這一背景下，趙懷周主持了國家重點研發(fā)計劃項目課題“基于激光誘導(dǎo)的低維異質(zhì)界面熱電薄膜的快速制備與性能調(diào)控”。在這一項目的支撐下，趙懷周和團隊成員們將利用研究激光與熱電材料之間的吸收與能級匹配關(guān)系，發(fā)展激光誘導(dǎo)物理氣相沉積技術(shù)及相關(guān)工藝；研究工藝參數(shù)與高取向結(jié)構(gòu)調(diào)控的相關(guān)性；揭示激光能量密度、脈寬、重頻、波長、加載時間等激光參數(shù)對薄膜非平衡態(tài)定向生長的影響規(guī)律；構(gòu)建薄膜微觀結(jié)構(gòu)與熱電性能之間的關(guān)系，實現(xiàn)高性能熱電薄膜的快速制備。

“我們的目標(biāo)就是要把熱電器件的能量轉(zhuǎn)換效率做到10%，雖然這一目標(biāo)從理論上講是可行的，但實際上要做到這一目標(biāo)尺寸，難度還是很大的，目前我們已經(jīng)可以將器件的能量轉(zhuǎn)換效率做到8%、9%這樣一個水平，還在無限接近最終目標(biāo)?！壁w懷周說。目前這一項目還在穩(wěn)步進行中。

除此之外，趙懷周團隊近期在基于新材料的下一代高性能熱電制冷模塊方面取得重要成果，文章很快被能源類頂級刊物Joule接受，編輯評價“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（我們一直尋找在能源領(lǐng)域里具有現(xiàn)實影響力的突破性工作，這項工作就是一個范例，特別是在器件的高性能和穩(wěn)定性方面）”。

頂天立地，將科研成果落地生根

縱觀國際熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，中國的熱電材料技術(shù)研究，在全世界處于領(lǐng)先地位，國內(nèi)從事相關(guān)領(lǐng)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”問題至今還制約著我國在熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展?！霸跓犭娭评溥@個方向中，我們在高端材料和器件的研發(fā)中還有極大的提升空間，以至于關(guān)鍵器件仍在受國外制約?！壁w懷周說。

認清形勢及我國在熱電材料領(lǐng)域所處的短板，才能更好地解決問題。多年來在科研道路上摸爬滾打，趙懷周始終認為科研技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)化成果是研究的重要組成部分。在他看來，科學(xué)研究的頂天立地，不僅是能真正解決實際問題，更要在科研的高度上進行引領(lǐng)。“科研成果要么在書架上要么就在貨架上。”趙懷周真摯地說。而他和研究團隊一直致力的便是——用科研成果真正為社會謀福利。

北京的懷柔區(qū)，天高地廣、偏遠安靜，在這里的科學(xué)城，趙懷周團隊建立了600平方米的實驗基地，在這個“夢想中的實驗室”里，趙懷周和科研團隊開始大展拳腳。

在這里，趙懷周團隊設(shè)計出了國內(nèi)首臺熱擠壓碲化鉍材料的試驗樣機?！斑^去我們一直在研究這種被國外‘卡脖子’的新材料，但受限于以前的場地條件，一直沒制作出樣機?！壁w懷周坦言。自從搬到懷柔科學(xué)城的材料基因組平臺后，趙懷周的團隊實驗空間擴大了好幾倍，設(shè)備也是量質(zhì)齊飛，加速了科研成果產(chǎn)出。

在趙懷周的介紹下，記者了解到：熱擠壓碲化鉍材料機械性能高于常規(guī)區(qū)熔法制備的碲化鉍，可以被切分得非常微小，因此是制作熱電微型芯片的重要材料。但過去，這種材料一直被國外壟斷。而自從趙懷周的團隊“解鎖”了制作這種材料的新技術(shù)后，已經(jīng)有多家熱電芯片制作企業(yè)有意合作。

科研成果的產(chǎn)業(yè)化并不能一蹴而就，產(chǎn)業(yè)一線的形勢更需要實時跟進。為了將科研成果更好地服務(wù)于產(chǎn)業(yè)發(fā)展，即使是假期，趙懷周和課題組的學(xué)生們也會分批輪休，早早回到場地，保證設(shè)備的順利運行。在產(chǎn)業(yè)一線遇到一些技術(shù)問題時，他們也會利用自己的專業(yè)優(yōu)勢，幫助企業(yè)解決所遇到的技術(shù)問題?，F(xiàn)如今，趙懷周的科研團隊正在和國內(nèi)的相關(guān)企業(yè)在熱電制冷材料及制冷器件的開發(fā)中展開著友好合作。

科研團隊合影（前排左四為趙懷周）

堅持奔跑，和團隊一起協(xié)同攻關(guān)

科研的旅程坎坷常在。最初回國的兩年，趙懷周坦言自己也承受著很大的思想壓力。在他看來，科學(xué)研究是一場長跑，克服困難的方式就是讓自己變強大。每當(dāng)自己被壓力裹挾，趙懷周總是會選擇用長跑的方式，使自己的精神得到放松。如今這一習(xí)慣已經(jīng)堅持了5年，每個星期他都會跑四五十公里。慢慢地，趙懷周的心態(tài)愈加平穩(wěn)，腳踏實地投身科研，也讓他在研究領(lǐng)域收獲了理想碩果。

如今，回首一路走過的科研歷程，趙懷周感慨頗多。在一系列科研成果的背后，趙懷周最感謝的就是自己的團隊成員。作為課題組的帶頭人，趙懷周和李國棟副研究員、朱航天副研究員和鐘韌財務(wù)助理在團隊中分工合作，目前課題組已經(jīng)發(fā)展到十幾位成員，并承擔(dān)了許多國家級的科研任務(wù)。在趙懷周看來，團隊的科研成果正是大家團結(jié)起來共同努力的結(jié)晶。

“沒有團隊成員們互相幫助，很多科研問題是無法解決的。而大家一起攻堅克難，成果做得越好也就會有越來越多的資源往團隊匯聚?！壁w懷周說。在他看來，這就是一個正向的積累過程。

在此之前，趙懷周在美國求學(xué)時，實驗室的logo是一個鸕鶿口中含著一只青蛙，正當(dāng)鸕鶿要把青蛙吞咽下去時，青蛙的兩只手抓住了鸕鶿的脖子?；貒?，趙懷周也將這張圖片打印了下來，貼在了自己的實驗室中，時刻警醒著自己，盡管有時科學(xué)研究的處境艱難，但永遠不要放棄自己向前探索的希望，就像趙懷周的美國導(dǎo)師說的一樣：“Anytime if I can push science one step further，I will do（任何時候只要我能夠?qū)⒖茖W(xué)往前推動一點，我都會去做這個事情）?！睂τ诳茖W(xué)研究的熱愛及初心，趙懷周始終堅定。如今，在實驗室條件愈加完備的狀況下，他也希望自己的學(xué)生們能夠在這樣的科研環(huán)境中，發(fā)揮自己的主觀能動性，做出更多有意義的研究工作。

一直以來，趙懷周所心系的都是整個熱電材料領(lǐng)域的發(fā)展。他深知：我國的熱電材料領(lǐng)域與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的銜接舊存在著很大的短板，很多研究團隊仍在國內(nèi)產(chǎn)業(yè)中仍難以尋找到切入點。科研之外，趙懷周也會經(jīng)常召集一些領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)研究者，舉辦一些熱電材料相關(guān)的會議。除了能在會議上給予更多年輕學(xué)者嶄露頭角的機會，趙懷周還想借著組織會議的時機，鼓勵領(lǐng)域內(nèi)的研究工作者不要喪失信心，只要大家腳踏實地、協(xié)同突破，一定能打通科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用之間的通道。

對于未來，趙懷周及其研究團隊仍舊使命在肩?！敖┠陙砦覀円呀?jīng)在熱電材料領(lǐng)域，蹚出了一條屬于自己團隊的特色研究道路。今后，我們還希望能夠繼續(xù)將研究聚焦在國家的‘卡脖子’技術(shù)問題上，將研究做實。”趙懷周說。除此之外，在基礎(chǔ)研究方面，他們還將在中國科學(xué)院物理研究所這一平臺的支撐下，將研究繼續(xù)扎根，和產(chǎn)業(yè)界碰撞出更大的火花。

在科學(xué)研究的長跑中，趙懷周及其研究團隊健步如飛。