圓夢英才計劃

很幸運能夠成為2022 年度英才計劃學員中的一員。初中開始，我就對物理學科產(chǎn)生了濃厚的興趣，腦海中的物理問題很多，在教師的指導下，一個個謎底的解開又讓我有了新的渴望。從此，我更加憧憬走進大學校園，近距離跟隨教授和師兄師姐做科研。因此，入選英才計劃的那一刻，我非常高興。

在英才計劃培養(yǎng)過程中，作為物理學科的學員，我在重慶大學周小元教授及學長學姐的幫助指導下，順利完成了自己的研究任務——摻雜對Cu2SnS3 熱電材料的性能優(yōu)化。

熱愛可抵歲月漫長

基于我與導師及其課題組團隊的溝通，當我了解到導師團隊的研究方向是關(guān)于熱電材料時，我對其產(chǎn)生了極大興趣。熱電材料既可以應用于我兒時就感興趣的航空航天領(lǐng)域（比如人造衛(wèi)星上長效遠距離無人維護的熱電發(fā)電），還可以應用在中學以來我非常關(guān)注的計算機和通信領(lǐng)域（比如為電子通信系統(tǒng)提供一個恒溫的環(huán)境）。

為了盡可能多地與導師團隊交流，我向?qū)W校申請每周四下午去重慶大學進行學習研究，學校非常支持。此外，我還利用節(jié)假日和周末空閑時間到重慶大學參與實驗。

一開始，導師讓我先閱讀一些關(guān)于熱電材料的基礎(chǔ)文獻，以便對熱電材料有初步的認識和了解。為了幫助我跟上研究進度，導師團隊的學長耐心地為我講解了摻雜對Cu2SnS3 熱電材料性能優(yōu)化的實驗原理。首先，我需要了解的研究對象為Cu2SnS3 材料，它具有3種原子排列方式，1 種是有序的（單斜結(jié)構(gòu)），另外2 種是無序的，有序結(jié)構(gòu)對電子傳輸流動影響較小，無序結(jié)構(gòu)對于周期勢場的改變使得電子和聲子（晶格振動的量子化，用于熱傳輸）的輸運都受到影響，并且對聲子的影響更大，而有序結(jié)構(gòu)對電子和聲子的散射相對較弱。我的實驗研究目的是提高Cu2SnS3的電學性能，Cu2SnS3 的載流子濃度比較低，大概為1018 cm-3。在這個材料中Cu 為+1 價，Sn 為+4 價，S 為-2 價，因此提高載流子濃度的直接方法可以選擇做Sn 空位。最終我們選擇摻雜Ga，Ga 通常表現(xiàn)為+3 價，摻雜在Sn 位置可提供空穴載流子。

我一邊學習理論，一邊跟隨師兄做實驗。我的主要工作包括2 個方面：制備材料和測試材料。整個制備過程看上去并不復雜，主要包括稱量、封管、燒結(jié)、研磨、退火、熱壓、切割、測試和優(yōu)化。制備過程中需要注意的細節(jié)很多，稍不注意就會導致數(shù)據(jù)不準確。比如封管時我們使用的設(shè)備有氫氧機和高真空機組，操作時應先開機械泵，再開分子泵。我小心翼翼地一邊學習一邊操作，我發(fā)現(xiàn)，靜下心來做實驗時，時間過得飛快，果然熱愛可抵歲月漫長。

按照實驗思路，我們在摻雜Ga 的基礎(chǔ)上做了Sn 空位，這樣空穴的數(shù)量就會增多，可以增加載流子濃度。實驗結(jié)果為XRD 無雜峰出現(xiàn)，表明Ga 摻雜和Sn 空位有效改善了Cu2SnS3 的電學性質(zhì)，維持了低熱導率，提高了熱電性能。

小試牛刀

時光飛逝，重慶大學校門口走向?qū)嶒炇夷菞l路的風景我還沒看夠，實驗就進入尾聲了。為了讓我更直觀地理解所學的理論知識，在導師和師兄的鼓勵下，我進行了1 個小的科學實踐，利用帕爾帖效應制備了1 個半導體制冷片其中的1 個p 型腿， 并對其輸出功率及熱電轉(zhuǎn)換效率進行了測試。首先，制作好Cu2SnS3 原料，將其放進1 個圓柱形的石墨模具中進行熱壓，在樣品兩端加上阻擋層，目的是防止電子擴散。選擇阻擋層材料時要多加考慮，并不是每一種材料都能與樣品很好地黏結(jié)上，我嘗試了銀、鎂等金屬，最終發(fā)現(xiàn)最合適的材料為鎳。然后，將熱壓后的原料進行切割，并將其與2 個約1.5 mm 的銅板用銀膠黏結(jié)在一起。我嘗試過用焊接的方式，但未成功，銀膠也有不足之處，它雖然可以把樣品黏結(jié)在一起，但不能形成一個良好的歐姆接觸，導致電阻較大。黏結(jié)好后在銅板兩端接上銅絲進行導電即可。最后，我們把制備好的樣品郵寄到昆明理工大學進行測試。

雖然初次實踐遇到了一些難題，但結(jié)果的成功讓我理解只有經(jīng)受得住失敗的打擊，才能獲得實驗成功時的欣喜。這很像我學習網(wǎng)球的過程，要從成千上萬次的揮拍中一點點體會和調(diào)整擊球動作上的細節(jié)，更要堅持日復一日嚴苛的體能訓練，最終才能站上冠軍的獎臺。

收獲遠超于學科知識

在英才計劃的整個培養(yǎng)過程中，我的體會很多。記得一位老師說過：“物理，就是明其物、析其變、究其理。”

我親眼看到了科研工作者日日夜夜地重復著各種實驗，他們癡迷于自己熱愛的科學領(lǐng)域。在我參與的過程中，更是親身體會到了做科研是體力和腦力雙重消耗的工作，經(jīng)常是一個下午的實驗下來，眼睛、手臂、背部都是酸痛的，學習理論知識更是超級燒腦。

1 年來，通過不斷的學習、實驗，以及與導師團隊的溝通，我意識到自己之前對各學科學習的認識有些偏頗。剛進入南開中學國際部學習時，我認為把主要精力投入到自己喜歡的物理和數(shù)學上就可以了，化學可以先放一放，但在跟隨師兄多次實驗和溝通交流后，我發(fā)現(xiàn)各學科間是緊密聯(lián)系的，哪一門都不應該放松。比如只有過了語言關(guān)，才能輕松查閱國外文獻。暑假期間，有一段時間不能進入大學開展實驗，我利用那段時間著重完善自己的理論知識，遇到不懂的地方就利用語音或視頻向師兄請教，我發(fā)現(xiàn)師兄經(jīng)常凌晨12 點還在實驗室工作，他的這種鉆研精神深深地感染了我。

感謝英才計劃，感謝導師周小元教授和課題組內(nèi)師兄師姐的悉心教導，經(jīng)過1 年的培養(yǎng)，我收獲的不僅僅是物理學科的知識，還讓我建立了一名科研工作者應該擁有的態(tài)度和習慣，讓還在上高中的我，看到了科學研究的美。

洪笠宸

2022 年英才計劃物理學科學員

就讀于重慶南開中學國際課程中心，師從重慶大學分析測試中心主任周小元教授。