应用于通信、传感等领域的电子器件的性能和稳定性，会受到发热问题的严重制约。常规散热技术一般是利用水、空气等流体进行对流换热，但该技术并不适用于电子器件的温度精密控制。
作为目前唯一一种可以实现温度精密控制的技术，热电制冷效应可以通过对电流方向与大小的调节，来实现快速的加热和冷却。
传统热电制冷器件的应用受限于商业碲化铋合金较低的性能和较高的价格，因此探索新型高性能热电制冷材料，对推广热电制冷应用具有非常重要的意义。
哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授毛俊，主要从事新型热电制冷材料的探索以及高性能热电制冷器件的开发。他提出了通过能带结构非对称的特征探索半金属热电材料的策略，并成功发现了具有高性能、低廉价格、高机械强度等特性的新型铋化镁基制冷材料。
凭借开发出七十年来唯一可媲美于商业电子型碲化铋合金的新型制冷材料，毛俊成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
图丨2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者毛俊
开发有望替代商业电子型碲化铋合金的新型热电制冷材料
热电效应早在两百多年前就已经被发现，然而具有较好热电性能的材料和较高能量转换效率的器件则是在上世纪五十年代才被开发出来。
在过去的几十年里，热电转换技术都是相对“沉默”的。其中，热电发电技术主要应用于航空航天等特殊领域，而热电制冷技术主要应用于电子器件精密控温与小型制冷设备。限制热电技术广泛应用的主要原因在于热电材料的性能较差导致了较低的器件性能。
二十世纪九十年代，在美国能源部的支持下，美国重新兴起了对热电材料的探索，这也带动了世界范围内针对热电材料的研究。在最近三十年中，不少热电材料的性能实现了比较明显的提升，领域内科研人员仍然希望探索到更高效的热电材料以及开发兼具高性能和高稳定性的热电器件，从而实现热电转换技术的广泛应用。
传统热电制冷器件的性能究竟是怎样的呢？
打个比方，我们都希望家用空调和冰箱能够以最少的电能实现最大的制冷量。一般情况下，基于压缩制冷的空调的性能系数大概在四左右，也就是说如果对其施加 1 千瓦的电能，它能“带走”房间里大概 4 千瓦的热量。这是一个非常高的数值。
相比之下，热电制冷器件的性能系数约为 0.5，同样对热电制冷器件输入 1 千瓦的电能，只能输运走 0.5 千瓦的热量。这一方面也解释了热电制冷为什么没有广泛地进入到我们的生活中。
由于传统热电制冷材料均为半导体，研究人员在探索热电材料时也主要聚焦于半导体材料，但并没有取得很大的突破。
为了拓展新型热电制冷材料的开发，毛俊自博士后阶段起开始从事对半金属等非半导体材料的探究，希望能从一个新的方向出发，突破固有的研究瓶颈。
过去几十年的研究表明，半金属并非潜在的高性能热电材料。不过，半金属往往具备非常高的迁移率，其性能主要受限于较低的塞贝克系数。
在研究过程中，毛俊发现半金属的低塞贝克系数主要源于导带中电子和价带中空穴对该系数贡献的相互抵消作用。
当半金属具有较强的能带结构非对称性时，其中起到抵消作用的载流子的贡献会非常低，这意味着电子或空穴的作用就会被显著抑制，因此能够有效提升塞贝克系数。也就是说，并不是所有的半金属都具有本征低的塞贝克系数。
基于该发现，毛俊提出了通过能带结构非对称性的特征探索半金属热电制冷材料的策略，并发现了具有高塞贝克系数以及优异的热电性能的新型铋化镁基半金属材料。相关成果已于 2019 年在 Science 上发表，毛俊为该论文的第一作者[1]。
毛俊表示，在该项研究之前，他已经做过一些关于锑化镁半导体的研究工作，在材料合成、制备等多方面都积累了丰富的经验，因此将研究方向转至铋化镁的过程中，并没有遇到非常大的难题，而是能够较快地掌握材料的性质，并对其性能进行很好的优化。
“从半金属的角度来看，这个材料不断地刷新了我的认知。一般来说，半金属塞贝克系数的绝对值低于 50 微伏每开尔文，但铋化镁的塞贝克系数却高出了一倍还要多。因为热电性能和塞贝克系数的平方成正比，所以这就意味着该材料的热电性能比一般的半金属性能至少高出四倍以上。”毛俊说。
如果能在器件研制上实现突破，基于该材料开发的新型热电制冷器件，将有望在微型通信激光器、电子传感器等制冷方面得到应用。
为推动热电制冷技术的广泛应用不断努力
回顾如何走上科研之路，毛俊用“偶然”一词总结。在东北大学读本科时，他被老师选为创新实验计划团队的组长并开始接触科研。对科研的浓厚兴趣和从小养成的自我激励与不断追求目标的精神，支撑他在此后的科研道路上一往无前。
在他看来，科研道路上最关键的人是博士阶段的指导老师任志锋教授，后者不仅给他营造了一个能够不断进行尝试和探索的自由宽松的环境与理想的科研平台，还为他提供了很多机会和支持。
毛俊将自己定义为专注科研的学术派，他觉得提出一些深刻的问题并找到答案能够获得很大的成就感。但他也表示，自己只关注具有应用前景的研究方向，希望做出的科研成果能够对相关产业起到促进作用。
对于创新，他同样深有感触，认为“创新不是为了‘新’而‘新’，其应该是追求能够真正改变我们生活的技术，可以让我们的今天变得比昨天更好”。
同时，他也表示，要想实现创新，必须先认真学习好前人的工作、打好自己的基础，再试图站在前人的肩膀上，看下一步的创新应该沿着什么方向去探索。
此外，作为科研工作者，他觉得应该首先立足于把自己的本职工作做好，将科研做得更加扎实和深刻，禁得起时间的考验。与此同时，承担起教学任务，把课程教好，做好教书育人的事业，也是同等重要的。
毛俊在新型铋化镁基材料上的研究工作，推动了整个领域内的研究者们对热电制冷材料与器件开发的关注。不过，要想真正推动热电制冷应用领域的拓展，颠覆制冷以及精密控温领域的常规技术，还需要开发出兼具高性能和高稳定性的新型热电制冷器件。
因此，在未来的工作中，毛俊计划继续从铋化镁材料入手，推进基于该材料的热电制冷器件开发，解决材料化学稳定性、大规模量产及商业化过程中的潜在问题，为推动热电制冷技术的广泛应用不断努力。
接下来，他会将所有的精力都放在基础研究上，探索高性能热电制冷材料，希望能尽快带领科研小组取得比较有影响力而且受到领域内研究者认可的成果。
“我所研究的新型制冷材料与新型制冷器件的产业化之间还有一段很长的距离。从整个领域的研究方向上看，我个人只是贡献了一小部分力量，未来技术难题的攻克必然需要整个领域研究者们的共同努力。”毛俊说。
参考资料：
1. J. Mao, H.T. Zhu, Z.W. Ding, Z.H. Liu, G.A. Gamage, G. Chen, Z.F. Ren, High thermoelectric cooling performance of Mg3Bi2-based materials.Science 365, 495-498, 2019. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aax7792
2. J. Mao, G. Chen, Z.F. Ren, Thermoelectric cooling materials.Nature Materials 20, 456-461, 2021. https://www.nature.com/articles/s41563-020-00852-w
3.J.Mao,J.Shuai,S.W.Song,Y.X.Wu,R.Dally,J.W.Zhou,Z.H.Liu,J.F.Sun,Q.Y.Zhang.et al.Manipulation of ionized impurity scattering for achieving high thermoelectric performance in n-type Mg3Sb2-based materials. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 10548-10553, 2017. https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1711725114
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