格物致知 可见大美

圆梦英才计划

很幸运能够成为2022 年度英才计划学员中的一员。初中开始，我就对物理学科产生了浓厚的兴趣，脑海中的物理问题很多，在教师的指导下，一个个谜底的解开又让我有了新的渴望。从此，我更加憧憬走进大学校园，近距离跟随教授和师兄师姐做科研。因此，入选英才计划的那一刻，我非常高兴。

在英才计划培养过程中，作为物理学科的学员，我在重庆大学周小元教授及学长学姐的帮助指导下，顺利完成了自己的研究任务——掺杂对Cu2SnS3 热电材料的性能优化。

热爱可抵岁月漫长

基于我与导师及其课题组团队的沟通，当我了解到导师团队的研究方向是关于热电材料时，我对其产生了极大兴趣。热电材料既可以应用于我儿时就感兴趣的航空航天领域（比如人造卫星上长效远距离无人维护的热电发电），还可以应用在中学以来我非常关注的计算机和通信领域（比如为电子通信系统提供一个恒温的环境）。

为了尽可能多地与导师团队交流，我向学校申请每周四下午去重庆大学进行学习研究，学校非常支持。此外，我还利用节假日和周末空闲时间到重庆大学参与实验。

一开始，导师让我先阅读一些关于热电材料的基础文献，以便对热电材料有初步的认识和了解。为了帮助我跟上研究进度，导师团队的学长耐心地为我讲解了掺杂对Cu2SnS3 热电材料性能优化的实验原理。首先，我需要了解的研究对象为Cu2SnS3 材料，它具有3种原子排列方式，1 种是有序的（单斜结构），另外2 种是无序的，有序结构对电子传输流动影响较小，无序结构对于周期势场的改变使得电子和声子（晶格振动的量子化，用于热传输）的输运都受到影响，并且对声子的影响更大，而有序结构对电子和声子的散射相对较弱。我的实验研究目的是提高Cu2SnS3的电学性能，Cu2SnS3 的载流子浓度比较低，大概为1018 cm-3。在这个材料中Cu 为+1 价，Sn 为+4 价，S 为-2 价，因此提高载流子浓度的直接方法可以选择做Sn 空位。最终我们选择掺杂Ga，Ga 通常表现为+3 价，掺杂在Sn 位置可提供空穴载流子。

我一边学习理论，一边跟随师兄做实验。我的主要工作包括2 个方面：制备材料和测试材料。整个制备过程看上去并不复杂，主要包括称量、封管、烧结、研磨、退火、热压、切割、测试和优化。制备过程中需要注意的细节很多，稍不注意就会导致数据不准确。比如封管时我们使用的设备有氢氧机和高真空机组，操作时应先开机械泵，再开分子泵。我小心翼翼地一边学习一边操作，我发现，静下心来做实验时，时间过得飞快，果然热爱可抵岁月漫长。

按照实验思路，我们在掺杂Ga 的基础上做了Sn 空位，这样空穴的数量就会增多，可以增加载流子浓度。实验结果为XRD 无杂峰出现，表明Ga 掺杂和Sn 空位有效改善了Cu2SnS3 的电学性质，维持了低热导率，提高了热电性能。

小试牛刀

时光飞逝，重庆大学校门口走向实验室那条路的风景我还没看够，实验就进入尾声了。为了让我更直观地理解所学的理论知识，在导师和师兄的鼓励下，我进行了1 个小的科学实践，利用帕尔帖效应制备了1 个半导体制冷片其中的1 个p 型腿， 并对其输出功率及热电转换效率进行了测试。首先，制作好Cu2SnS3 原料，将其放进1 个圆柱形的石墨模具中进行热压，在样品两端加上阻挡层，目的是防止电子扩散。选择阻挡层材料时要多加考虑，并不是每一种材料都能与样品很好地黏结上，我尝试了银、镁等金属，最终发现最合适的材料为镍。然后，将热压后的原料进行切割，并将其与2 个约1.5 mm 的铜板用银胶黏结在一起。我尝试过用焊接的方式，但未成功，银胶也有不足之处，它虽然可以把样品黏结在一起，但不能形成一个良好的欧姆接触，导致电阻较大。黏结好后在铜板两端接上铜丝进行导电即可。最后，我们把制备好的样品邮寄到昆明理工大学进行测试。

虽然初次实践遇到了一些难题，但结果的成功让我理解只有经受得住失败的打击，才能获得实验成功时的欣喜。这很像我学习网球的过程，要从成千上万次的挥拍中一点点体会和调整击球动作上的细节，更要坚持日复一日严苛的体能训练，最终才能站上冠军的奖台。

收获远超于学科知识

在英才计划的整个培养过程中，我的体会很多。记得一位老师说过：“物理，就是明其物、析其变、究其理。”

我亲眼看到了科研工作者日日夜夜地重复着各种实验，他们痴迷于自己热爱的科学领域。在我参与的过程中，更是亲身体会到了做科研是体力和脑力双重消耗的工作，经常是一个下午的实验下来，眼睛、手臂、背部都是酸痛的，学习理论知识更是超级烧脑。

1 年来，通过不断的学习、实验，以及与导师团队的沟通，我意识到自己之前对各学科学习的认识有些偏颇。刚进入南开中学国际部学习时，我认为把主要精力投入到自己喜欢的物理和数学上就可以了，化学可以先放一放，但在跟随师兄多次实验和沟通交流后，我发现各学科间是紧密联系的，哪一门都不应该放松。比如只有过了语言关，才能轻松查阅国外文献。暑假期间，有一段时间不能进入大学开展实验，我利用那段时间着重完善自己的理论知识，遇到不懂的地方就利用语音或视频向师兄请教，我发现师兄经常凌晨12 点还在实验室工作，他的这种钻研精神深深地感染了我。

感谢英才计划，感谢导师周小元教授和课题组内师兄师姐的悉心教导，经过1 年的培养，我收获的不仅仅是物理学科的知识，还让我建立了一名科研工作者应该拥有的态度和习惯，让还在上高中的我，看到了科学研究的美。

洪笠宸

2022 年英才计划物理学科学员

就读于重庆南开中学国际课程中心，师从重庆大学分析测试中心主任周小元教授。