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张文清 研究员
zhangwq@sustc.edu.cn
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教育经历：
1984 – 1986，厦门大学，学士
1986 – 1989，厦门大学，硕士
1989 – 1992，中科院上海光机所，博士
工作经历：
1993 – 1995，中国科学院物理研究所，博士后
1995 – 1997，北京科技大学应用物理研究所，副教授
1997 – 1998，德国马普Fritz-Harbe研究所，访问学者
1998 – 1999，美国Harvard大学，访问学者
2000 – 2002，美国Princeton大学，Full-time Research Staff
2002 – 2003，美国加州大学Santa Barbara分校，Research Faculty
2003 – 至今，中国科学院上海硅酸盐研究所，高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，研究员
2014– 2017，上海大学，材料基因组工程研究院，副院长、教授
2017–至今，南方科技大学，物理系，教授
曾获得奖励、荣誉称号：
美国物理学会Fellow（2014）
国家自然科学二等奖（2013）
上海市自然科学一等奖（2012）
国际热电学会理事会理事（2010）
国家杰出青年基金资助（2001）
科研工作简介：
一、计算物理和计算材料科学方法
1. 电子结构计算和载流子输运
通过基于密度泛函理论的第一性原理程序VASP得到准确的电子结构为本课题组研究光电、热电材料功能性质的主要工具。在对激发态敏感的光电材料研究中，主要采用MBJ+U、HSE以及G0W0的修正，并根据具体材料灵活选用方法，同时保证了准确性与计算效率。在热电材料的电子输运研究中，除了准确的电子结构外，课题组还根据玻尔兹曼电输运理论发展出了BoltzTrap_VASP及Transoptic两套程序包。后者为课题组原创，基于跃迁矩阵元方法有效地解决电输运计算中“能带交叉”问题，为目前针对VASP计算结果进行大型体系电输运计算仅有的解决方案。
2. 晶格动力学和热输运
采用基于第一性原理的密度泛函理论的计算程序VASP对晶格进行弛豫。采用以冻声子法为基础的Phonon和Phonopy软件包、并结合第一性原理的自洽计算来构造动力学矩阵以求得晶格振动谱、极化矢量、声子态密度等信息。通过对声子弛豫时间的近似处理，我们使用Debye-Callaway模型来估算体系的晶格热导率。
3. 第一原理热力学
将热力学概念引入第一原理界面研究，发展和完善了复杂界面的原子－分子层次的第一原理界面热力学的理论研究方法，建立了实验测定的热力学参数与理论计算的原子化学势间的可靠关系，将复杂界面的稳定性与环境因素有机联系在一起。
二、能量转换材料设计与输运物理
1.“半晶态”—一种物质的新状态
固体晶态物质随外场变化通常为长程有序的晶体状态或者无序的玻璃状态、超过熔点则表现为完全无序和流动的液体状态。微观上，这三种状态的化学成分可以完全相同，但结构和性能差别巨大，其根源在于成分原子间的多元强弱化学键的分布以及由此决定的成分原子的运动形式及其对于外场响应的不同。通过基于第一性原理的计算并结合相关实验，提出了复杂体系中由于化学键的复杂性，存在“半晶态”的物质状态的新概念，并以Cu3SbSe3和填充方钴矿为例展示了这种思想。随外场条件的变化，材料体系表现为“部分晶态-部分无序”和“部分晶态-部分液体”的特殊状态。亚晶格无序或局部液态不仅破坏了材料的宏观长程有序性，也使材料具有异常的极低热导率，并且造成经典固体理论中的基于“小参数”近似的声子输运理论不再适用。系统的振动特征分析和能量耗散机制分析表明，亚结构的无序特征与热输运异常之间关系密切，可以唯象地归为类似于低频共振散射特征的散射机制，与无序原子的具有局域特征的整体性协同振动相关，并且与玻璃或液体等结构无序材料中的低频Boson振动之间存在关联。
2. 填充方钴矿热电材料的设计与优化
（1）单原子填充方钴矿材料填充量研究
通过第一性原理系统的研究了碱金属，碱土金属以及稀土金属原子在方钴矿晶格孔洞中的填充量极限及影响因素。结果表明，填充量上限决定于填充方钴矿相合第二相的相互竞争的结构，填充原子能否填入晶格孔洞中有一个简单的电负性选择规律：D= Xsb- X13 0.80。计算的填充量上限与实验值吻合，并通过该电负性选择规则成功预测了Na、K等超高填充量体系，并被随后的实验证实。
（2）多原子填充方钴矿材料填充行为及性能优化
多原子填充为方钴矿材料性能优化提供更大的空间，系统研究碱金属、碱土金属、稀土金属原子在方钴矿晶格孔洞中复合填充的填充量极限，多原子填充带来的多样性为复合填充系统的热电性能优化提供新的可能性，对于寻找新型高性能热电材料具有指导意义。电输运方面，发现引入0.4－0.6个电子/(Co4Sb12单元)可实现最佳功率因子。在热输运方面，结合对于填充原子局域振动强烈散射晶格声子而有效降低热导率的理解，我们建立了热导率变化的物理模型，给出了热导率与局域振动频率之间的定量关系，发现了多原子填充可以产生宽频声子散射效应。基于最佳功率因子优化原则与宽频声子散射效应和多原子优化组合原则，基于此原则可以实现多原子填充的材料筛选。
（3）方钴矿材料缺陷研究及性能优化
方钴矿材料具有开放式的笼状晶体结构，研究表明，稀土元素、碱土元素、碱金属等元素都是比较合适的填充元素，能实现稳定填充；但对于IIIA族Ga、In、Tl等元素的填充，仍然存在一定的争议。本工作通过第一性原理计算与实验结合，详细研究了In掺杂方钴矿材料中In的存在形态以及对电热输运性能的影响。研究表明Ga，In等元素在方钴矿中主要形成填充和替换Sb位置同时存在的复合缺陷，Ga形成完全电荷补偿缺陷(填充-替换比例2:1)，而In为部分电荷补偿缺陷。这种自补偿缺陷一方面可以保持较好的电输运性能，同时两个位置的缺陷使得材料热导率降低，热电性能得到改善。
3. 新型热电材料的设计
（1）类金刚石结构Cu2SnX3(X=S, Se)基化合物热电性能优化与设计
Cu基类金刚石化合物由不同四面体结构组成，具有较低的晶格热导率，种类繁多。系统研究了Cu2SnX3(X=S, Se)类金刚石化合物的电子结构、化学键特性以及电热输运特性，理论与实验相结合的研究表明，这类化合物价带顶存在决定化合物稳定性与输运特性的“化学键网络(bond network)”；对于不在该网络下的元素进行选择性掺杂，可以在一定程度上独立调控系统的电输运而优化性能。
(2)热电材料的“赝立方”结构设计和实现
以非立方黄铜矿结构（四方结构）类金刚石化合物为例，通过基于材料基因组工程的理论计算并结合实验，提出了“赝立方”微观结构思路来筛选和设计具有非立方结构的新型热电化合物。“赝立方”微观结构设计思路是指部分长程有序离子晶格构成立方或者接近立方的框架，来实现能带收敛，提高电输运性能。研究发现了实现该类材料高热电性能的η=1（Unity-η）筛选规则，即四方结构类金刚石化合物中，当四方形变参数η（=c/2a）接近于1时，电子结构价带顶能级劈裂值ΔCF接近于0，此时阳离子构成长程有序的立方或近立方网格，而阴离子则构成短程无序的扭曲非立方网格，能带发生收敛或重叠，具有最佳的电输运性能以及热电优值。根据η(ΔCF) vs. a固溶化合物图，设计了三种固溶体，其中CuInTe2和AgInTe2固溶体获得了我们实验的验证，热电优值相对基体大幅提升。“赝立方”微观结构设计思路为探索高热电性能的非立方结构材料体系提供了新的研究思路和指导工具。
（3）Rashba自旋劈裂体系的热电性质
在对称性破缺的晶体中，电子在内建电场中运动会产生与电子自旋耦合的有效磁场，强自旋轨道相互作用将可能导致半导体产生Rashba效应。自旋劈裂的能带对半导体输运性质的影响是一个基础的物理问题。自旋劈裂的能带导致了费米面具有独特的拓扑结构，能态密度具有低维化的特征。利用波尔兹曼输运理论，研究了Rashba自旋劈裂体系(Rashba参量αR >0)的热电性能，发现了Rashba自旋劈裂体系低维化的输运性质，其Seebeck系数和电学性能优于传统自旋简并的体系(αR =0)，这一现象同时发生在二维量子阱和三维块体中。利用BiTeI块体材料对上述理论进行了实验验证，证实了Rashba自旋劈裂块体具有二维热电性质。在热输运方面，Rashba体系强的内建电场导致了晶格振动的非谐性，这些体系很可能具有低的晶格热导率。具有低维化电输运和非谐热输运的Rashba体系很可能成为新的高性能热电材料。
4、锂电池材料
（1）固体电解质Li10GeP2S12的结构和电化学物性研究
通过第一性原理热力学计算，确定了固体电解质Li10GeP2S12的亚稳定结构，优化四面体锂的占据数。电化学热力学计算表面，LixGeP2S12在充分电过程中会分别会出现富锂（x=14）、中锂（x=10）和贫锂（x=6）三个平台值。将四、八面体位置的锂都考虑在内，进行了锂离子输运性能的计算。其中，c方向的锂迁移为协同迁移，ab方向为跳跃迁移，而两个方向迁移势垒类似（在0.20~0.30eV），表面了锂的迁移是各项同性的，这与实验上结论相符。
（2）锂空气电池正极充电催化剂的计算设计
锂空气电池具有超高的理论比能量密度，但其高过电位、低倍率性能等问题严重影响着其实际应用。锂空电池的产物Li2O2是绝缘体，其导电性差的问题使得其分解困难；同时它与电池碳材料、电解液等电池材料容易发生副反应。除了导电性和副反应等因素外，热力学上本征的过氧化锂分解也是限制电池反应速率的重要原因。利用硼掺杂石墨烯作为正极催化剂，可以降低过氧化锂分解决速势垒0.40 eV；硼磷共掺杂体系更使得决速步骤势垒降低0.70 eV，同时可以降低平衡电压0.13 V。活性的掺杂石墨烯体系其掺杂元素的电负性及基底对Li2O2的吸附能都在一个合理范围之内。
同时，对于过渡金属氧化物体系（Co3O4等），我们进行了催化活性的表面效应研究。通过反应路径的计算，Co3O4体系（111）富氧面具有较高的活性，其最优的分解路径分解电压降低0.54 V，势垒降低0.45 eV。富氧面的催化活性来自于缺电子状态的表面氧层，它能从Li2O2中氧离子吸收大量电荷。
科研成果：
1.Li You, Yefeng Liu, Xin Li, Pengfei Nan, Binghui Ge, Ying Jiang, Pengfei Luo, Shanshan Pan, Yanzhong Pei, Wenqing Zhang, G. Jeffrey Snyder, Jiong Yang*, Jiye Zhang*, and Jun Luo*, “Boosting the thermoelectric performance of PbSe through dynamic doping and hierarchical phonon scattering”, Energy & Environmental Science, 11 (2018), 1848-1858.
2.Lili Xi, Shanshan Pan, Xin Li, Yonglin Xu, Jianyue Ni, Xin Sun, Jiong Yang*, Jun Luo*, Jinyang Xi, Weihao Zhu, Xinran Li, Di Jiang, Richard Dronskowski, Xun Shi, G.Jeffrey Snyder, and Wenqing Zhang*, “Discovery of High-Performance Thermoelectric Chalcogenides through Reliable High-Throughput Material Screening”, Journal of the American Chemical Society, 140 (2018), 10785-10793.
3.Yancheng Wang, Hongliang Yang, Wujie Qiu, Jiong Yang, Jihui Yang*, and Wenqing Zhang*, “Dynamic process of the resonant phonon scattering in fully filled skutterudites”, Physical Review B, 98 (2018), 054304.
4.Wenlong Liu, Ming Liu*, Rong Ma, Ruyi Zhang, Wenqing Zhang, Dapeng Yu, Qing Wang, Jiannong Wang, and Hong Wang*, “Mechanical Strain-Tunable Microwave Magnetism in Flexible CuFe2O4 Epitaxial Thin Film for Wearable Sensors”, Advanced Functional Materials, 28 (2018), 1705928.
5.Pengfei Qiu, Matthias T. Agne, Yongying Liu, Yaqin Zhu, Hongyi Chen, Tao Mao, Jiong Yang, Wenqing Zhang, Sossina M. Haile, Wolfgang G. Zeier, Juergen Janek, CtiradUher, Xun Shi*, Lidong Chen*, G. Jeffrey Snyder*, “Suppression of atom motion and metal deposition in mixed ionic electronic conductors”, Nature Communications, 9 (2018), 2910.
6.Bingbin Wu, Shanyu Wang, Joshua Lochala, David Desrochers, Bo Liu, Wenqing Zhang, Jihui Yang*, and Jie Xiao*, “The role of the solid electrolyte interphase layer in preventing Li dendrite growth in solid-state batteries”, Energy &Environmental Science, 11 (2018), 1803-1810.
7.Ruiheng Liu, Hongyi Chen, Kunpeng Zhao, Yuting Qiu, Binbin Jiang, Tiansong Zhang, Gang Sha, Xun Shi*, CtiradUher, Wenqing Zhang*, and Lidong Chen*, “Entropy as a Gene-Like Performance Indicator Promoting Thermoelectric Materials”, Advanced Materials, 29 (2017), 1702712.
8.Pingjun Ying, Xin Li, Yancheng Wang, Jiong Yang*, Chenguang Fu, Wenqing Zhang, Xinbing Zhao, and Tiejun Zhu*, “Hierarchical Chemical Bonds Contributing to the Intrinsically Low Thermal Conductivity in alpha-MgAgSb Thermoelectric Materials”, Advanced Functional Materials, 27 (2017), 1604145.
9.Kunpeng Zhao, HaozhiDuan, Nunna Raghavendra, Pengfei Qiu, Yi Zeng, Wenqing Zhang, Jihui Yang, Xun Shi*, and Lidong Chen*, “Solid-State Explosive Reaction for Nanoporous Bulk Thermoelectric Materials”, Advanced Materials, 29 (2017), 1701148.
10.Jiawei Zhang, Lirong Song, Georg K. H. Madsen*, Karl F. F. Fischer, Wenqing Zhang, Xun Shi, Bo B. Iversen*, “Designing high-performance layered thermoelectric materials through orbital engineering”, Nature Communications, 7 (2016), 10892.
11.Bo Duan, Jiong Yang, James R. Salvador, Yang He, Bo Zhao, Shanyu Wang, Ping Wei, Fumio S. Ohuchi, Wenqing Zhang*, Raphael P. Hermann, Olivier Gourdon, Scott X. Mao, Yingwen Cheng, Chongmin Wang, Jun Liu, PengchengZhai, Xinfeng Tang, Qingjie Zhang*, and Jihui Yang*, “Electronegative guests in CoSb3”, Energy & Environmental Science, 9 (2016), 2090-2098.
12.Shanyu Wang, Yongxing Sun, Jiong Yang, Bo Duan, Lihua Wu, Wenqing Zhang*, and Jihui Yang*, “High thermoelectric performance in Te-free (Bi, Sb)(2)Se-3 via structural transition induced band convergence and chemical bond softening”, Energy & Environmental Science, 9 (2016), 3436-3447.
13.Wujie Qiu, Lili Xi, Ping Wei, XuezhiKe*, Jihui Yang*, and Wenqing Zhang*, “Part-Crystalline Part-Liquid State and Rattling-Like Thermal Damping in Materials with Chemical-Bond Hierarchy”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 111 (2014), 15031-15035.
14.Jiawei Zhang, Ruiheng Liu, Nian Cheng, Yubo Zhang, Jihui Yang, CtiradUher, Xun Shi*, Lidong Chen*, and Wenqing Zhang*, “High-Performance Pseudocubic Thermoelectric Materials from Non-Cubic Chalcopyrite Compounds”, Adv. Mater., 26 (2014), 3848-3853.
15.Yongcheng Liang*, Xun Yuan, Yanfeng Gao, Wenqing Zhang*, Peihong Zhang*, “Phonon-Assisted Crossover from a Nonmagnetic Peierls Insulator to a Magnetic Stoner Metal”, Phys. Rev. Lett., 113 (2014) 176401.
16.Lihua Wu, Jiong Yang, Shanyu Wang, Ping Wei, Jihui Yang*, Wenqing Zhang*, andLidong Chen, “Two-dimensional thermoelectrics with Rashba spin-split bands in bulk BiTeI”, Phys. Rev. B, 90 (2014) 195210.
17.Youwei Wang, Yubo Zhang and Wenqing Zhang*, "First-principles study of the halide-passivation effects on the electronic structures of CdSe quantum dots", RSC Advances, 4 (2014), 19302-19309.
18.Yubo Zhang, Youwei Wang, Lili Xi, Ruihao Qiu, Xun Shi, Peihong Zhang*, Wenqing Zhang*, “Electronic structure of antifluorite Cu2X (X=S, Se, Te) within the modified Becke-Johnson potential plus an on-site Coulomb U”, J. Chem. Phys., 140 (2014), 074702.
19.Yinglu Tang, Yuting Qiu, Lili Xi, Xun Shi*, Wenqing Zhang, Lidong Chen, Ssu-Ming Tseng, Sinn-wen Chen, G. Jeffrey Snyder*, “Phase diagram of In-Co-Sb system and thermoelectric properties of In-containing skutterudites”, Energy Environ. Sci., 7 (2014) 812-819
20.Huili Liu, Xun Yuan, Ping Lu, Xun Shi*, Fangfang Xu, Ying He, Yunshan Tang, Shengqiang Bai, Wenqing Zhang*, Lidong Chen*, Yue Lin, Lei Shi, He Lin, Xingyu Gao, Xingmin Zhang, Hang Chi, and CtiradUher, “Ultrahigh Thermoelectric Performance by Electron and Phonon Critical Scattering in Cu2Se1-xIx”, Adv. Mater., 25 (2013) 6607–6612.
21.Yuting Qiu, Lili Xi, Xun Shi*, Pengfei Qiu, Wenqing Zhang*, Lidong Chen*, James R. Salvador, Jung Y. Cho, Jihui Yang, Yuan-chunChien, Sinn-wen Chen, Yinglu Tang, and G. Jeffrey Snyder*, “Charge-Compensated Compound Defects in Ga-containing Thermoelectric Skutterudites”, Adv. Funct. Mater., 23 (2013) 3194-3203.
22.Xun Yuan, Wenqing Zhang*, and Peihong Zhang*, “Hole-lattice coupling and photoinduced insulator-metal transition in VO2”, Phys. Rev. B, 88 (2013) 035119.
23.Yubo Zhang, Jiawei Zhang, Weiwei Gao, Tesfaye A. Abtew, Youwei Wang, Peihong Zhang*, Wenqing Zhang*, “Near-edge band structures and band gap of Cu-based semiconductors predicted by the modified Becke-Johnson potential plus an on-site Coulomb U”, J. Chem. Phys., 139 (2013), 184706.
24.Huili Liu, Xun Shi*, Fangfang Xu, Linlin Zhang, Wenqing Zhang, Lidong Chen*, Qiang Li, CtiradUher, Tristan Day and G. Jeffrey Snyder, “Copper ion liquid-like thermoelectrics”, Nat. Mater., 11 (2012), 422-425.
25.Lili Xi, Yubo Zhang, Xiaoya Shi, Jiong Yang, Xun Shi, Lidong Chen, and Wenqing Zhang*, “Chemical bonding, conductive network, and thermoelectric performance of the ternary semiconductors Cu2SnX3 (X = Se, S) from first principles”, Phys. Rev. B, 86 (2012), 155201.
26.Xun Yuan, Yubo Zhang, Tesfaye A. Abtew, Peihong Zhang*, and Wenqing Zhang*, “VO2: Orbital competition, magnetism, and phase stability”, Phys. Rev. B, 86 (2012), 235103
27.Xun Shi, Jiong Yang, James R. Salvador, Miaofang Chi, Jung Y Cho, Hsin Wang, Shengqiang Bai, Jihui Yang*, Wenqing Zhang*, and Lidong Chen*, “Multiple-Filled Skutterudites: High Thermoelectric Figure of Merit through Separately Optimizing Electrical and Thermal Transports”, J. Am. Chem. Soc., 133 (20) (2011) 7837-7846.
28.Yubo Zhang, Xun Yuan, Xiudong Sun*, Bi-Ching Shih, Peihong Zhang*, and Wenqing Zhang*, “Comparative study of structural and electronic properties of Cu-based multinary semiconductors”, Phys. Rev. B, 84 (2011), 075127.
29.Jiong Yang, P. Qiu, R. Liu, L. Xi, S. Zheng, W. Zhang*, L. Chen, D. J. Singh, Jihui Yang, “Trends in electrical transport of p-type skutteruditesRFe4Sb12 (R = Na, K, Ca, Sr, Ba, La, Ce, Pr, Yb) from first-principles calculations and Boltzmann transport theory”, Phys. Rev. B, 84 (2011) 235205.
30.Xun Shi, Jiong Yang, Shengqiang Bai, Jihui Yang*, Hsin Wang, Miaofang Chi, James R. Salvador, Wenqing Zhang*, Lidong Chen*, Winnie Wong-Ng, “On the design of high efficiency thermoelectric clathrates through a systematic cross-substitution of framework elements”, Adv. Funct. Mater., 20 (2010) 755-763.
31.Lili Xi, Jiong Yang, Wenqing Zhang*, Lidong Chen, and Jihui Yang*, “Anomalous Dual-Element Filling in Partially Filled Skutterudites”, J. Am. Chem. Soc., 131 (2009), 5560-5563.
32.Jiong Yang, Huanming Li, Ting Wu, Wenqing Zhang*, Lidong Chen, and Jihui Yang*, “Evaluation of Half-Heusler Compounds as Thermoelectric Materials Based on the Calculated Electrical Transport Properties”, Adv. Funct. Mater., 18 (2008) 2880-2888.
