深耕壓電與熱電材料，助力應用洞見未來

蔡巧玉

1880年，諾貝爾獎獲得者居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應。近150年后的今天，可用來實現(xiàn)電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的壓電材料，在傳感器、驅(qū)動器、能量回收等領域應用廣闊。更早時期的1821年，澤貝克（Seebeck）發(fā)現(xiàn)了熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換的熱電效應，如今熱電材料在溫差發(fā)電和半導體制冷領域獲得日益增長的應用。

壓電與熱電材料研究和應用備受關注。李敬鋒，就是一位長期活躍在這一材料領域的專家，他是清華大學材料學院教授，研發(fā)出綜合性能優(yōu)異的鈮酸鉀鈉（簡稱KNN）基無鉛壓電陶瓷和高效中低溫熱電材料的同時，積極推動了其產(chǎn)業(yè)化應用。

專攻無鉛壓電材料，

打開國內(nèi)新局面

2002年，在日本潛心研究約17年之久，并已任日本東北大學副教授，還獲得日本文部省重點課題等多個科研項目的李敬鋒，回到祖國成為清華大學材料學院教授，他期待在中國打開功能陶瓷研究的局面。

回國后的李敬鋒沒有耽擱片刻，在清華大學陶瓷重點實驗室組建起了研究團隊，將壓電與熱電陶瓷及其微加工技術定為研究方向。無鉛壓電陶瓷是李敬鋒團隊最早切入的一個研究方向。傳統(tǒng)壓電陶瓷的基本組成是鋯鈦酸鉛，含鉛量在60%以上，在其制備、使用、回收和廢棄過程中都會給環(huán)境和人類帶來嚴重危害。2003年歐盟頒布在電氣電子產(chǎn)業(yè)推進無鉛化的法律性指令，我國原信息產(chǎn)業(yè)部也于2006年出臺《電子信息產(chǎn)品生產(chǎn)污染防治管理辦法》。在這一背景下，研究開發(fā)高性能環(huán)境友好型無鉛壓電陶瓷具有非常重要的科學意義和緊迫的市場需求。

李敬鋒開展的無鉛壓電陶瓷研究得到國家自然科學基金委杰出青年基金及其創(chuàng)新群體科學基金，以及“973計劃”項目“信息功能陶瓷及其元器件的若干基礎問題研究”的支持。經(jīng)過多年不懈的努力，他們找到提高KNN基無鉛壓電陶瓷性能的策略與機制，研發(fā)出性能與傳統(tǒng)含鉛壓電陶瓷媲美的無鉛壓電陶瓷，但是又面臨新的難題：如何克服無鉛壓電陶瓷的高性能與溫度穩(wěn)定性差的矛盾。在國家自然科學基金委重點項目的支持下，李敬鋒及其團隊通過揭示多層次結構對無鉛鐵電壓電陶瓷電學性能的影響規(guī)律，提出了通過構建彌散型相變提高溫度穩(wěn)定性的學術思想，實現(xiàn)了無鉛陶瓷壓電性能及其溫度穩(wěn)定性的協(xié)同調(diào)控，突破了在無鉛壓電材料中難以同時獲得優(yōu)異壓電性能與良好溫度穩(wěn)定性的難題，并研發(fā)出具有中高壓電性能（室溫壓電系數(shù)d33>350pC/N）和高溫度穩(wěn)定性（在100℃溫區(qū)內(nèi)d33變化率<10%）的實用型KNN基無鉛壓電陶瓷。

“無鉛高性能壓電陶瓷是我們研究出來最重要的成果?！崩罹翠h自豪地說道。2019年，李敬鋒和團隊的“無鉛鐵電壓電陶瓷的多層次結構與性能調(diào)控”項目獲得中國建筑材料聯(lián)合會-中國硅酸鹽學會建筑材料科學技術獎（基礎研究類）一等獎。團隊核心成員清華大學研究員王軻教授獲得國家和北京市高層次人才項目支持，并作為項目負責人主持2019年山東省發(fā)展和改革委員會新舊動能轉(zhuǎn)換重大課題攻關“高性能環(huán)保無鉛壓電陶瓷電子器件材料研發(fā)及應用”。2019年4月，在清華大學、浙江清華長三角研究院和地方政府的支持下，團隊成員成立公司專門從事無鉛壓電陶瓷生產(chǎn)和銷售，目前發(fā)展勢頭良好。

把握熱電材料未來，

助力我國航天發(fā)展

熱電材料是李敬鋒的另一個研究重點，具有熱與電直接相互轉(zhuǎn)換功能的熱電材料在能源與光通信等領域有著不可替代的重要應用，但是提升熱電性能面臨諸多挑戰(zhàn)，熱電材料研究也因此被中國科協(xié)列為“重大科學問題和重大工程技術難題”中先進材料領域五大難題之一。李敬鋒帶領團隊瞄準幾種關鍵熱電材料，首先從材料制備與微結構調(diào)控方向?qū)ふ彝黄瓶冢趪H上率先提出了多種納米復合解耦內(nèi)稟熱電參數(shù)的新思路。

李敬鋒及其團隊通過設計納米析出和納米混合復合結構，研發(fā)出高性能碲化物熱電材料;發(fā)現(xiàn)納米碳化硅復合具有同時增強熱電性能和提升力學性能的協(xié)同效應，并揭示了納米復合熱電材料的能量過濾效應機制;提出了基于滲流效應協(xié)同調(diào)控電熱輸運特性的新方法。這些成果多次被《自然》（Nature）、《自然·化學》（Nature?Chemistry）、《先進材料》（Advanced?Materials）等期刊引用，起到推動高性能熱電材料發(fā)展的作用。研究成果曾獲得2011年度北京市科學技術獎，并通過2019年國家自然科學獎初評會評。

李敬鋒十分注重熱電材料在關鍵技術領域的應用，特別將高性能納米復合結構碲化鉍基熱電材料應用到熱電微器件（Micro?TEC）。熱電微器件是目前解決5G/6G集成光電轉(zhuǎn)換模塊精準控溫唯一可行的技術方案，但其生產(chǎn)制造存在被“卡脖子”風險。李敬鋒團隊通過與廣西自貿(mào)區(qū)見炬科技有限公司合作，在熱電微器件的制造技術方面取得突破。2022年2月，公司實現(xiàn)了航天領域用高質(zhì)量Micro?TEC的量產(chǎn)。

教書育人辦期刊，

展望光輝未來

2015年，李敬鋒和美國加州大學伯克利分校塞繆爾·S·毛（Samuel?S.?Mao）教授、清華大學南策文院士組成主編團隊，在中國硅酸鹽學會的領導和支持下，創(chuàng)辦了《無機材料科學學報》。在李敬鋒和其他主編及編委的共同努力下，《無機材料科學學報》快速發(fā)展，于2019年8月被《科學引文索引》（Science?Citation?Index，SCI）收錄后，次年獲得第一個影響因子（IF2019=5.797），預期最新IF超過8.5。期刊2019年入選首批《中國科技期刊卓越行動計劃》梯隊期刊，已經(jīng)成為無機材料領域具有重要影響力的學術期刊之一。

教書育人，李敬鋒同樣嘔心瀝血。他擔任過兩屆班主任，曾獲清華大學“良師益友”稱號?；貒笈囵B(yǎng)了31位博士生（包括2名留學生）和十多名碩士生，送出了14位博士后。他對研究生招生的硬性要求是：對研究有熱情、勤奮刻苦。李敬鋒的建議是：“年輕人要只爭朝夕，在當下的階段干好自己該干的?！彼囵B(yǎng)的畢業(yè)生多半從事科研工作，其中有多人獲得國家層次人才項目的支持。

2020年7月，國際陶瓷材料領域最有影響力學會之一——美國陶瓷學會（The?American?Ceramic?Society）公布新增會士（Fellow），李敬鋒的名字赫然在列，以表彰他在陶瓷科學與工程化應用方面的突出貢獻。2022年2月，日本工程院第41次理事會通過，李敬鋒當選為外籍院士。他還是國際熱電學會理事、電氣與電子工程師協(xié)會國際鐵電委員會委員與研討會主席。這些榮譽無不彰顯了李敬鋒在國內(nèi)外材料科學與技術領域的學術影響力。

但李敬鋒仍然謙虛，“清華陶瓷重點室李龍土院士、張孝文教授等老一輩學者為我們打下了很好的基礎，現(xiàn)在設備條件非常好，我們應該作出更好的成績”。接下來，李敬鋒將帶領他的團隊繼續(xù)深耕壓電與熱電材料及其器件技術研究，夯實基礎研究，服務于國家需求，為科技強國作出更多貢獻。

（責編：蘇寒山）E1ECFB76-766A-4242-8EB9-C281DA21D426