——记北京航空航天大学集成电路科学与工程学院王聪教授团队成果
在生活中，物体受热时会膨胀，而在遇冷时则会收缩，这种现象叫做“热胀冷缩”(也叫热膨胀)，这是自然界一种普遍的现象，几乎所有物体都具有热膨胀性质。但是，也有一些材料表现出相反的热膨胀性质，即负(零)热膨胀。负热膨胀不仅颠覆了传统晶格动力学概念，而且为调控膨胀系数，解决现代科学技术中的一些难题提供了新的机遇。
北京航空航天大学集成电路科学与工程学院王聪教授，就长期从事磁性、信息、能源功能材料的研究，他带领团队在宽温域零膨胀材料、自旋电子学反铁磁材料、太阳能聚焦热发电光热转换材料领域，尤其在宽温域负膨胀、负(零)热膨胀功能材料、太阳能涂层技术与应用、航天器热控薄膜技术等方面取得了一系列创新性的科研成果，具有突出贡献与国际影响力。
科研探索 创新研发
1995年，王聪于中国科学院物理研究所获得博士学位，1997年前往德国卡尔斯鲁厄大学(现德国KIT)作为洪堡学者工作。自1999年作为海外人才引进回国进入北京航空航天大学以来，他至今已在教育、科研第一线工作25年。2003年在北航晋升为教授，2005年获评教育部新世纪人才。
迄今为止，王聪作为负责人已经承担或完成了国家自然科学基金面上项目/重点项目、科技部重点研发课题、国家863项目、航天科技支撑计划项目等约30余项，他带领团队攻坚克难，取得了一系列优秀的科研成果。
1996年，美国科学家报道了一类具有“热缩冷胀”性能的新型氧化物材料，立即引起了世界各国材料物理与材料化学界高度重视。在一定的温度范围内，平均热膨胀系数为负值的材料，都被称为负热膨胀材料，负热膨胀材料是材料科学中很特别的一个学科分支，负膨胀材料的研究不仅加深了人们对材料热膨胀性质的理解，也为材料科学的发展开辟了新的方向，尤其是在需要精确控制材料尺寸变化的应用中，负膨胀材料展现出了巨大的应用潜力。
目前，王聪作为负责人完成了国家自然科学基金重点项目“宽温域负/零膨胀功能材料的研究”。据他介绍，固体材料通常会随温度变化产生膨胀或收缩行为，然而，材料的热胀冷缩会降低精密部件的结构稳定性和安全可靠性，甚至破坏材料的功能特性。在光学仪器、微电子器件、航空航天等高技术领域，我们迫切需要形状和尺寸不随温度变化的材料，以保证其构件具有高的尺寸稳定性、精密性和长的使用寿命，而低(零)热膨胀材料的微观尺寸随温度变化近似保持不变，可以在特定温度区域内保持体积既不膨胀也不收缩。低(零)热膨胀材料在航空航天、光学、精密仪器仪表、密封器件等领域具有重要应用价值，王聪带领团队在基金委重点项目的支持下获得了温区超过200℃的零膨胀功能材料、以及多个膨胀系数可调控的负膨胀材料体系，并通过复合将铝合金在室温附近的膨胀系数降低到近零膨胀状态，获得多个授权国家发明专利，该项目已顺利结题，其成果正在推广应用。
此外，王聪目前作为负责人正在承担科技部“物态调控”重点研发项目课题“反铁磁纳米自旋自振荡器研制及其物性研究”。据了解，100GHz高频自旋纳米振荡器的攻关属于国际难题，其在信息存储、处理，微波发射和太赫兹6G通信方面具有重要的应用价值。新一代磁存储芯片材料的探索关系到我国信息产业国际战略地位，属于高科技领域国际竞争的热点领域与“卡脖子”技术。王聪团队在该项目研究中，报道了多个有望用于新型自旋电子学磁存储器件的反铁磁材料体系，首次提出了反钙钛矿体系中的压磁效应、手性磁组态等，成果发表于材料领域国际顶刊Nature Comm.，Adv. Mater.和Adv. Func. Mater.等。
基于目前所取得的科研成果，王聪教授现已授权国家发明专利15项，并累计在Nature Comm.，Adv. Mater.，Phys. Rev.系列等刊物上发表论文超过280篇，SCI引用超过7000次; 2012年，获教育部高等学校科学研究优秀成果自然科学二等奖，2020年获中国材料研究学会科学技术二等奖。2020年到2023年，王聪教授连续四年被国际学术机构爱思唯尔(Elsevier)评为“中国被高引学者”。
先进材料 引领未来
近年来，随着材料技术的不断进步，促进电子器件向集成化、微型化、高功率密度的方向发展，因此给电子器件散热带来了严峻的挑战。由高集成度、微型化和高功率密度引起的高热流密度，严重影响了电子器件性能和使用寿命。著名的“10 ℃法则”指出，电子器件的可靠性与温度紧密相关，当温度超过80 ℃时，温度每升高10 ℃，可靠性就会降低50%。因此及时排出电子器件的废热，实现高效的器件散热是极其重要的。风冷、液冷等制冷方式结构复杂、运行需要耗能，且对于柔性电子器件而言受尺寸和形变限制，许多传统致冷技术不一定适用，探索新型的致冷技术成为亟待解决的难题。
据王聪介绍，辐射致冷是通过调控薄膜/涂层表面的红外辐射特性，不消耗任何能源，通过红外辐射自然散热。目前辐射致冷膜最大的问题是在不同温度下如何实现电子器件辐射致冷，然而目前该研究缺乏系统深入的工作，且多采用复杂的多层结构和精细的微纳超表面结构，辐射峰波段窄且峰位移动范围小，力学性能、抗辐照性能差等，此外复杂的结构与工艺限制了薄膜的大面积生产，也增加了成本。同时为了用于柔性电子器件散热，也需要辐射致冷薄膜具有优异的柔韧性，因此，开发膜层简单、红外辐射宽波段可调且致冷性能、力学性能综合优越的柔性辐射致冷膜，成为极其重要和极具挑战性的任务。
针对以上问题，王聪团队提出并制备了在中红外3.5 ~ 20 mm波长范围内超宽带红外辐射特性可调的柔性双层膜，且相应的辐射峰均具有较高的平均发射率。当具有不同温度的铝器件覆盖上与之匹配的辐射峰的这种辐射致冷膜后，表现出了优异的辐射致冷效果。而且，该双层膜可沉积在柔性聚酰亚胺基底上，使其与沉积在PDMS、PE、PMMA 或TPX等基底上制备的辐射致冷薄膜相比，具有更好的热稳定性和更高的拉伸强度，有望应用于柔性电子器件及航天器部件的散热。该研究为开发多功能的柔性辐射致冷薄膜提供了重要参考，相关研究成果已发表于ACS Applied Materials & Interfaces等国际杂志。
此外，随着当今世界能源问题的日趋严重，寻找新能源已成为人类未来可持续发展的重要路径，作为可再生清洁能源，太阳能高效转化的研究一直被高度关注。聚光太阳能热发电(CSP)技术将光能转换成热能再驱动汽轮机进行发电，因其能量转换效率高、污染少、与电网兼容性好、储能成本低、结合储热可24小时发电，成为解决能源匮乏和应对气候变暖的有效手段之一。目前，以合成导热油为传热介质的抛物槽式集热器(PTC)作为CSP系统的主要太阳能集热器之一，被广泛用于商业用途，但高昂的发电成本限制了其进一步发展。
太阳光谱选择性吸收涂层(SSAC)作为太阳能集热器的关键材料，主要功能是将太阳光辐射能高效转化为热能。目前主流开发的太阳光谱选择性吸收涂层由纳米级别厚度的多层膜组成，在高温下抑制元素的扩散、防止界面反应以及可能的氧化十分不易，因此，耐高温涂层的探索成为国内外研究的难题与重点。在更高温度下的良好热稳定性意味着在550°C具有更长的使用寿命，尽管现在愈来愈多的研究取得了高温下良好的热稳定性，但耐高温超过750°C的涂层仍然鲜有报道。
针对此问题，王聪团队使用过渡金属硼化物代替传统电介质-金属-电介质(DMD)结构中的金属层来改善SSAC的热稳定性，设计并制备了AlN/TiB2/AlN/Mo/AlN/基片结构的SSAC。原子间的结合力越强、活化能越大，扩散系数就越小。因此，使用过渡金属硼化物代替金属可改善DMD-SSAC的热稳定性。由于三氧化二硼的熔点大约只有730K，氧元素的存在可能不利于过渡金属硼化物的热稳定性，因此选择AlN作为电介质层。制备的SSAC吸收率高达93.4%，而室温红外发射率低至6.9%。制备在304不锈钢基片上的SSAC可在真空环境中加热到800 °C，并保持稳定200小时以上，尤其沉积在石英基底上的SSAC甚至可在真空中900°C下保持稳定，为我国太阳能高温热发电关键材料的研究做出了突出的贡献。目前，相关研究成果发表于Materials Today Physics, ACS Applied Energy Materials, Solar Energy Materials & Solar Cells等国际杂志。
产学研融合，实干才兴邦，材料技术是抢占未来科技和经济发展制高点的重要领域，王聪将带领他的团队继续在新材料研发的科研道路上不畏艰难、创新前行，立足于国家需求，服务于高新产业，为我国实现科技强国做出更多更大贡献。（供稿人：苗燕）
