1、Science：北航材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授團(tuán)隊在熱電材料及器件研究領(lǐng)域取得最新進(jìn)展

2025年12月19日，國際頂級學(xué)術(shù)期刊《Science》報道了北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授團(tuán)隊在熱電材料及器件研究領(lǐng)域取得的最新進(jìn)展：《Extending the temperature range of the Cmcm phase of SnSe for high thermoelectric performance》。該工作通過在硒化錫（SnSe）材料中大比例固溶高對稱立方相PbSe，成功拓寬了SnSe的高溫Cmcm相的溫度穩(wěn)定區(qū)間，顯著增強(qiáng)了N型SnSe晶體面外方向在Cmcm相的“2D聲子/3D電荷”傳輸特性，將N型SnSe晶體在單個溫度點（748K）下ZT~3.0的性能擴(kuò)展至673-923 K的寬溫域范圍，溫區(qū)跨度達(dá)250K，基于此寬溫域下的卓越熱電性能實現(xiàn)了 ~ 19.1%的發(fā)電效率，該報道揭示了N型SnSe晶體在溫差發(fā)電領(lǐng)域的巨大潛力。

趙立東教授課題組聚焦國際學(xué)術(shù)前沿，取得系列高水平成果，2025年已發(fā)表3篇《Science》，自2014年以來第14次發(fā)表Science和Nature正刊！

第一作者：高天（2025級博士生），文熠副教授，白樹林（2023級博士生）

通訊作者：宿力中教授，常誠教授，趙立東教授

第一單位：北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

能源是人類社會賴以生存及社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，然而在使用過程中約有超過50%的能量以廢熱的形式浪費掉，若能將這些熱能回收并轉(zhuǎn)成電能，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。熱電技術(shù)可將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換，既可基于塞貝克效應(yīng)實現(xiàn)溫差發(fā)電，又可基于珀爾帖效應(yīng)實現(xiàn)熱電制冷，在深空探測電源、集成電路熱管理等關(guān)鍵領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

圖1. 熱電效應(yīng)：(A) 基于塞貝克效應(yīng)的溫差發(fā)電模型； (B) 基于珀爾帖效應(yīng)的熱電制冷模型

熱電材料的轉(zhuǎn)換效率主要由其無量綱熱電優(yōu)值（ZT= (S2σ/κ) T）所決定。在給定溫度T下，高效熱電材料應(yīng)具備：大塞貝克系數(shù) S（以產(chǎn)生大的溫差電壓）、高電導(dǎo)率σ（以減少焦耳熱損耗）以及低熱導(dǎo)率κ（以維持大的溫差）。然而，這些熱電參數(shù)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系限制了ZT值的提升。圍繞高效解耦熱電參數(shù)，該課題組提出了開發(fā)本征低熱導(dǎo)材料、多能帶協(xié)同、晶格素化和柵格素化等策略，形成了篩選寬溫域溫差發(fā)電材料【Science 367 (2020) 1196-1197】和新型制冷材料的新思路【Science 378 (2022) 832-833】。在前沿學(xué)科交叉領(lǐng)域，該課題組與中科院化學(xué)所朱道本院士課題組的狄重安研究員合作，將提出的策略運用到有機(jī)塑料基熱電領(lǐng)域，實現(xiàn)了聚合物熱電材料近室溫?zé)犭娦阅艿闹卮笸黄?/strong>【Nature 632 (2024) 528-535】；該課題組與江雷院士課題組的北航化學(xué)學(xué)院劉明杰教授合作，將所制備的熱電制冷器件用于柔性磁電領(lǐng)域，為復(fù)雜環(huán)境下傳感器的長效穩(wěn)定工作提供了可靠保障【Science 389 (2025) 623-631】。

該課題組長期致力于開發(fā)新型熱電材料及高效發(fā)電和制冷器件，經(jīng)篩選研究發(fā)現(xiàn)SnSe晶體具有優(yōu)異熱電潛力【Nature 508 (2014) 373-377】。此后，該課題組持續(xù)挖掘SnSe晶體的獨特性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)SnSe晶體在面內(nèi)方向具有優(yōu)異的P型輸運熱電性能。2016年，發(fā)現(xiàn)并利用了多能帶協(xié)同參與的電傳輸增強(qiáng)機(jī)制，在P型SnSe晶體中取得了優(yōu)異的近室溫?zé)犭娦阅埽?strong>表明SnSe晶體具有極大潛力成為制冷材料【Science 351 (2016) 141-144】。2021年，發(fā)現(xiàn)并提出了多能帶的Synglisis效應(yīng)（動量與能量空間的多能帶協(xié)同對齊），實現(xiàn)了P型SnSe晶體室溫?zé)犭娦阅艿拇蠓嵘?/strong>，基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠?qū)崿F(xiàn) ~ 45.7 K的最大制冷溫差，已達(dá)到商用Bi2Te3基制冷器件的70%【Science 373 (2021) 556-561】。2023年，成功驗證了晶格素化策略，在P型SnSe晶體中引入微量的Cu來填充本征Sn空位，實現(xiàn)了超高電傳輸性能（利于低功耗），其熱電制冷器件室溫下能夠實現(xiàn) ~ 61.2 K的制冷溫差，制冷性能已接近商用Bi2Te3基制冷器件【Science 380 (2023) 841-846】。

與SnSe晶體在面內(nèi)方向展現(xiàn)優(yōu)異P型輸運熱電性能相反，SnSe晶體在面外方向展現(xiàn)出卓越的N型輸運熱電性能。2018年，在Br元素?fù)诫s的N型SnSe晶體中發(fā)現(xiàn)其獨特的“2D聲子/3D電荷”傳輸特性，有效利用了SnSe晶體面外方向極低的晶格熱導(dǎo)率，并在層間產(chǎn)生交疊的電荷密度增強(qiáng)其電傳輸特性，從而在Pnma相SnSe晶體中773K溫度下獲得了ZT ~ 2.8的優(yōu)異熱電性能【Science 360 (2018) 778-783】。2022年，通過調(diào)控N型SnSe晶體在Pnma相的晶格對稱性，促進(jìn)了層間聲-電解耦，進(jìn)一步增強(qiáng)了“2D聲子/3D電荷”傳輸特性，使Pnma相SnSe晶體在748K的溫度下實現(xiàn)了ZT > 3.0【Science 375 (2022) 1385-1389】。

圖2. (A) N型SnSe晶體面外“2D聲子/3D電荷”傳輸特性：層狀SnSe晶體利用其層結(jié)構(gòu)抑制了（晶格振動）聲子傳輸，但是與聲子不同的電子可通過交疊的電荷密度實現(xiàn)電子隧穿；固溶高對稱相后顯著促進(jìn)了該傳輸特性；(B) 與目前先進(jìn)的P型熱電材料的ZT對比圖；(C)與目前先進(jìn)的單臂熱電器件的發(fā)電效率對比圖

SnSe在800K溫度點為兩相相變點，即<800K為Pnma相，>800K為Cmcm相，此前的研究都聚焦于Pnma相SnSe晶體，然而其具有更高對稱性的Cmcm相的熱電性能的潛力仍未被開發(fā)，同時，基于N型SnSe晶體面外方向的熱電器件研究仍為空白。本工作聚焦于高對稱Cmcm相N型SnSe晶體，通過固溶高對稱相（立方相PbSe）拓寬了Cmcm相的溫度穩(wěn)定范圍，同時，Cmcm相N型SnSe晶體的局域晶格對稱性的提升顯著增強(qiáng)了其“2D聲子/3D電荷”傳輸特性：1) 提升的晶格對稱性有效降低了Cmcm相SnSe晶體的形變勢，在態(tài)密度有效質(zhì)量（md*）和載流子濃度（nH）顯著增大的同時優(yōu)化了載流子遷移率（μH），促進(jìn)了“3D電荷”傳輸；2) Pb元素的引入在帶來應(yīng)力的同時軟化了晶體中的鍵合作用，從而降低了晶格熱導(dǎo)率，增強(qiáng)了“2D聲子”散射。如圖2（B）所示，最終在673-923 K的溫度范圍內(nèi)獲得了優(yōu)異的寬溫域熱電性能ZTave ~ 3.0。此外，本工作搭建了基于N型SnSe晶體的熱電器件并表現(xiàn)出卓越的熱電轉(zhuǎn)換效率。如圖2（C）所示，在572 K的溫差下，其單臂熱電器件可實現(xiàn) ~ 19.1%的發(fā)電效率。

本工作得到了國家重點研發(fā)計劃（2024YFA1210400）、國家自然科學(xué)基金青年A類延續(xù)項目（52525101）、國家自然科學(xué)基金（52450001; 52403348; 523B2007; 524B2004; 52401258）、科學(xué)探索獎等的資助，并得到了中國載人航天工程空間應(yīng)用系統(tǒng)項目的支持。參與此項工作的還有：太原科技大學(xué)宿力中教授課題組、白培康教授課題組、北京高壓科學(xué)中心高翔研究員課題組。

2、全球首次實現(xiàn)！上海交大，Science

北京時間12月19日，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院（信息與電子工程學(xué)院）圖像通信與網(wǎng)絡(luò)工程研究所陳一彤課題組在新一代算力芯片領(lǐng)域取得重大突破，首次實現(xiàn)了支持大規(guī)模語義媒體生成模型的全光計算芯片，相關(guān)研究以“All-optical synthesis chip for large-scale intelligent semantic vision generation”（大規(guī)模智能語義視覺生成全光芯片）為題發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上。上海交通大學(xué)為論文第一作者和通訊作者單位，陳一彤助理教授為第一作者及通訊作者。

研究背景

隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大規(guī)模生成模型的迅猛演進(jìn)，AI正以前所未有的速度革新世界。然而，規(guī)模爆炸式增長的生成模型帶來超高算力和能耗需求，與傳統(tǒng)芯片架構(gòu)的性能增長速度已出現(xiàn)日益嚴(yán)峻的緊迫缺口。

為突破算力與能耗瓶頸，光計算等新型架構(gòu)受到廣泛關(guān)注。然而如傳統(tǒng)的全光計算芯片主要局限于小規(guī)模、分類任務(wù)，光電級聯(lián)或復(fù)用又會嚴(yán)重削弱光計算速度。因此，“如何讓下一代算力光芯片能運行復(fù)雜生成模型”成為全球智能計算領(lǐng)域公認(rèn)的難題。

研究成果

研究團(tuán)隊首次提出全光大規(guī)模語義生成芯片LightGen，這也是國際首次實現(xiàn)的大規(guī)模全光生成式AI芯片，在單枚芯片上同時突破了百萬級光學(xué)神經(jīng)元集成、全光維度轉(zhuǎn)換、無真值光芯片訓(xùn)練算法的領(lǐng)域公認(rèn)瓶頸。

大規(guī)模全光生成計算芯片LightGen

論文實驗驗證了全光芯片LightGen在高分辨率（≥512×512）圖像語義生成、3D生成（NeRF）、高清視頻生成及語義調(diào)控、去噪、局部及全局特征遷移等多項大規(guī)模生成式任務(wù)。不再讓電輔助光生成，而是讓全光芯片完整實現(xiàn)輸入圖像、理解語義、語義操控、生成全新媒體數(shù)據(jù)的端到端過程，即讓光“理解”和“認(rèn)知”語義。

LightGen生成的采樣圖像示例

此外，LightGen采用了極嚴(yán)格的算力評價標(biāo)準(zhǔn)，在實現(xiàn)與電芯片上運行的Stable Diffusion、NeRF、Style Injection Diffusion等前沿電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相仿生成質(zhì)量的同時，直接測量整個系統(tǒng)端到端的耗時與耗能降低。實測表明，即便采用較滯后性能的輸入設(shè)備，LightGen仍可取得相比頂尖數(shù)字芯片2個和2個數(shù)量級的算力和能效提升。而如果采用前沿設(shè)備使得信號輸入頻率不是瓶頸的情況下，LightGen理論可實現(xiàn)算力提升7個數(shù)量級、能效提升8個數(shù)量級的性能躍升。這不僅直接體現(xiàn)了在不損失性能情況下替換頂尖現(xiàn)有芯片能獲得的巨大算力和能效提升，也印證了解決大規(guī)模集成、全光維度變換、無真值光場訓(xùn)練等關(guān)鍵難點，全光片上實現(xiàn)大規(guī)模生成式網(wǎng)絡(luò)的重要意義。

論文同步被《Science》官方選為高光論文重點報道。論文中提到，生成式AI正加速融入生產(chǎn)生活，要讓“下一代算力芯片”在現(xiàn)代人工智能社會中真正實用，勢在必行的是研發(fā)能夠直接執(zhí)行真實世界所需任務(wù)的芯片——尤其是大規(guī)模生成模型這類對端到端時延與能耗極其敏感的任務(wù)。面向這一目標(biāo)，LightGen為新一代算力芯片真正助力前沿人工智能開辟了新路徑，也為探索更高速、更高能效的生成式智能計算提供了新的研究方向。

相關(guān)研究及論文信息

陳一彤

陳一彤博士長期致力于光計算領(lǐng)域的研究，聚焦新一代算力芯片切實應(yīng)用時的核心科學(xué)難點問題，團(tuán)隊所提出的全模擬光電芯片ACCEL（Nature 623 (7985), 48-57），國際首次實測驗證了復(fù)雜智能任務(wù)中光計算的系統(tǒng)級算力優(yōu)越性，將光計算芯片中的超高算力能效，無損地保留和接入復(fù)雜成熟的數(shù)字社會中。2023年，所提出的PED (Photonic Encoder Decoder，Science Advances 9(7), eadf8437)光計算架構(gòu)，更被Science子刊認(rèn)證為“國際首個全光生成網(wǎng)絡(luò)（PED is the first demonstration of all-optical generative neural networks）”?；谏鲜鲅芯炕A(chǔ)，LightGen突破性將全光芯片的適用范圍拓展到了大規(guī)模生成式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并已與工業(yè)界合作開展應(yīng)用實踐。

上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院（信息與電子工程學(xué)院）陳一彤助理教授擔(dān)任第一作者及通訊作者，翟廣濤教授、張文軍院士、博士生孫心玥，清華大學(xué)碩士生譚龍濤、博士生姜一洲、博士后周銀等均對本文做出重要貢獻(xiàn)。該研究得到了多項國家及上海市項目資助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv7434

3、吉林大學(xué)哲學(xué)社會科學(xué)領(lǐng)域首篇《Science》論文揭示東亞地區(qū)家牛的復(fù)雜演化史與史前東西方文化交流

北京時間2025年12月19 日，吉林大學(xué)生物考古實驗室、考古學(xué)院蔡大偉教授團(tuán)隊聯(lián)合韓國首爾大學(xué)Choongwon Jeong教授團(tuán)隊及國內(nèi)數(shù)十家考古研究機(jī)構(gòu)，在國際頂級綜合性學(xué)術(shù)期刊《Science》上發(fā)表題為“Ancient genomes illuminate the origins and dynamic history of East Asian cattle”的研究論文。該研究首次系統(tǒng)構(gòu)建了東亞地區(qū)家牛起源與遷徙的完整遺傳圖譜，為探索史前跨大陸人群遷徙、技術(shù)傳播與古代文明交流互鑒提供了全新視角。這也是吉林大學(xué)在哲學(xué)社會科學(xué)領(lǐng)域首次以第一完成單位在《Science》發(fā)表研究成果，標(biāo)志著我校在生物考古領(lǐng)域取得了重大突破。

東亞地區(qū)家牛的四次融合事件

研究團(tuán)隊整合了來自全國數(shù)十處遺址的166例古代?？茦颖?，覆蓋近萬年時間跨度，構(gòu)建了迄今為止全球規(guī)模最大、時間序列最完整的東亞古代牛基因組數(shù)據(jù)集。研究打破了以往關(guān)于東亞地區(qū)家?！皢我黄鹪础钡膫鹘y(tǒng)觀點，揭示其形成是多次外來輸入與本地種群深度融合的漸進(jìn)過程。距今約5000年前的新石器時代晚期，普通牛（Bos taurine）傳入黃河流域并與本土野生原牛發(fā)生基因交流；新疆地區(qū)的早期家牛受到西亞普通牛和南亞瘤牛（Bos indicus）的共同影響，自青銅時代晚期至鐵器時代不斷向黃河流域滲透，持續(xù)影響了中國北方家牛的遺傳結(jié)構(gòu)。鐵器時代至明清時期，南北方牛群進(jìn)一步融合，最終奠定了現(xiàn)今中國南北方家牛的基本遺傳框架。

該研究不僅極大深化了國際學(xué)術(shù)界對東亞地區(qū)家牛起源、馴化與傳播歷程的科學(xué)認(rèn)知，更展現(xiàn)了中華文明在形成和發(fā)展過程中與周邊地區(qū)廣泛而深入的交流互動歷史場景，為深入揭示經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)變革、社會復(fù)雜化進(jìn)程以及跨區(qū)域文明互鑒開辟了全新的科學(xué)視角，也為闡釋"人類命運共同體"的歷史根基貢獻(xiàn)了重要的學(xué)術(shù)支撐。

該研究成果的第一完成單位為吉林大學(xué)生物考古實驗室，蔡大偉教授為本研究的第一作者兼通訊作者。韓國首爾大學(xué)Donghee Kim博士為共同第一作者，Choongwon Jeong教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家社科基金重大項目“古動物DNA視角下的絲路文化交流研究”（項目批準(zhǔn)號17ZDA221）資助。

近年來，學(xué)校始終將哲學(xué)社會科學(xué)高質(zhì)量發(fā)展置于戰(zhàn)略全局高度，把有組織科研作為激活創(chuàng)新動能、服務(wù)國家戰(zhàn)略需求的關(guān)鍵抓手，形成了學(xué)科建設(shè)、平臺搭建與人才培養(yǎng)深度融合的新格局。作為首批教育部哲學(xué)社會科學(xué)實驗室試點單位，生物考古實驗室始終以國家戰(zhàn)略需求為錨點，以學(xué)科前沿突破為目標(biāo)，打破傳統(tǒng)學(xué)科壁壘，高效整合考古學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、地球科學(xué)、歷史學(xué)等多領(lǐng)域優(yōu)勢資源，凝練形成“問題導(dǎo)向、協(xié)同攻堅、鏈?zhǔn)酵七M(jìn)”的有組織科研范式，為重大原創(chuàng)性成果的涌現(xiàn)筑牢了堅實根基。本研究成果的取得，既是吉林大學(xué)堅守有組織科研理念、奮力構(gòu)建中國哲學(xué)社會科學(xué)自主知識體系的生動實踐，也是生物考古實驗室充分發(fā)揮平臺賦能效應(yīng)、引領(lǐng)學(xué)科前沿創(chuàng)新的重要突破，為學(xué)?！笆奈濉笔展俾湎曼c睛之筆，更為“十五五”開局加快建設(shè)教育強(qiáng)國、科技強(qiáng)國、人才強(qiáng)國匯聚龍頭之力。

文章鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu9904

來源：北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)、吉林大學(xué)