研究方向
1．各向同性热电材料
利用点缺陷调控载流子分布和声子传输，协同优化各向同性热电材料中强耦合的热电参数，提出了协同优化电声输运的新策略，在不同的热电体系中均实现了综合性能的新突破
热电材料是一类可实现热能和电能相互转换的新型功能材料，在温差发电和固态制冷方面具有广阔的应用前景，但是热电材料主要的应用瓶颈是低的转化效率(ZT=α2σκ-1T-1)。高效热电材料具有大的温差电动势α、高的电导率σ、以及低的热导率κ。然而热电材料这些电声输运参数相互依赖、此消彼长，如何协同优化这些相关联的参数以提升综合性能一直是热电材料领域的关键科学问题。
武海军通过在各向同性热电材料中引入以点缺陷为主导多尺度缺陷，协同优化了材料的电声输运行为。点缺陷在前期研究中无法被直接观察和表征，因此其对电声输运的作用往往被严重低估进而无法被充分利用。武海军运用球差矫正扫描透射电镜直接观察到热电体系中广泛存在着大量的间隙原子，并且发现相比纳米结构，点缺陷在电声输运中可以起到更加重要的作用。除了传统的异价置换原子掺杂以提高电导率和同价置换原子固溶以提高温差电动势外，武海军发现：间隙原子可填补材料本征的空位，提高载流子迁移率，进一步提高电导率；同时，高密度的间隙原子（或团簇）还可以作为有效的声子散射源，极大地降低晶格热导率。据此，武海军提出构建以点缺陷为主导的多尺度结构缺陷从电子、原子、晶格层次同步优化电声输运的方法，并在不同的热电体系（锡基和铅基硫族化合物）中获得成功应用。例如，在PbTe中，武海军通过掺杂钾和固溶硫，引入了原子级的点缺陷、纳米级析出相及亚微米级相界等，获得很高的综合热电性能：ZT>2的温度区间从50 oC提升到250 oC。该方法有望成为继纳米化后应用更广、效果更佳的同时优化电声输运的新策略。
武海军以一作/共一/通讯在该方向上发表IF>10文章15篇，包括Nat Commun (2014), Energ Environ Sci (2013, 2015, 2018, 2019), J Am Chem Soc (2017, 2020), PNAS (2019), Adv Energ Mater (2019, 2019),等。受邀撰写热电专著一章(Springer)。武海军的上述工作得到了业内专家的广泛好评：京都大学Kageyama教授在Nat Commun的关于材料化学和物理前沿综述中，以武海军的工作为代表介绍热电材料，肯定了我们的工作是降低声子热导的“effective means (有效方法)”；张清杰院士在发表于Nature的文章摘要中肯定武海军的工作为利用多尺度结构缺陷减低声子热导的两篇代表作之一。
2．各向异性热电材料
利用点缺陷调控载流子迁移，提高各向异性热电材料的晶体对称性，解决了其低热导且低电导的固有问题，维持其本征低热导的同时大幅提升了电传导，为开发新型热电材料提供了新思路
以硒化锡(SnSe)为代表的新型各向异性热电体系因具有环境友好且廉价的元素而极具潜力。这些材料因具有二维弹簧式（层内强健和层间弱键）的低对称性结构而呈现高的非谐振性，对声子传输具有强烈的散射，因此本征地具有极低的热传导，而且其电传输性能也非常差。因此如何保持或降低其低热导同时大幅度提升其电传导是本领域面临的挑战之一。
注意到传统的各向同性热电材料(如PbTe)因具有高的晶体对称性，其电子能带收敛或重叠，能带简并度高，本征地具有高的电输运性能，武海军提出引入置换原子来提高材料的晶体对称性，以大幅提升材料的电传输性能、同时进一步降低材料的晶格热导率、最终获得高的综合热电性能的思路。以SnSe为例，其高的热电性能只出现在很窄温度区的高温立方相，在很宽的低温区，其低对称性相的性能非常低。武海军通过引入置换原子Te，减小了Sn-Se强健和弱键的键长和键角的差异，提高了SnSe的晶体对称性，不仅增加了能带简并度，而且有利于载流子迁移，实现了材料的电导率和温差电动势的同时提升；同时Te置换原子也会引起局部晶格畸变，增加了声子散射，进一步降低了材料的晶格热导率。在室温--500 oC的宽温域范围内，材料的平均ZT从1.2提升到1.6，对应的能量转化效率从14%提升到19%，创造了该温域热电材料的新记录。
武海军以一作/共一/通讯在该方向上发表IF>10文章8篇，包括J Am Chem Soc (2014, 2019, ESI高引文章), Adv Energ/Funct Mater (2015, 2019), Mater Horiz (2019)等，合作发表一篇Science (2019)。武海军的上述工作，得到了业内专家的广泛好评：美国西北大学Kanatzidis教授（埃尼奖获得者）在发表于Chem Rev综述中肯定了武海军的工作“enables higher carrier mobility without deteriorating the Seebeck coefficient” (实现了温差电动势和迁移率的同时优化)；张清杰院士以及国际热电协会主席Ctirad Uher教授在发表于Adv Mater综述中盛赞了武海军“The multiscale features ... were clearly resolved ... advanced electron microscopy techniques (运用先进电子显微镜非常清晰地展现了多尺度结构缺陷) ”。
3．无铅压电陶瓷
利用点缺陷调控相的稳定性，扩宽了纳米相共存（电偶极子可灵活响应）的温域，同步提高了无铅压电材料的压电敏感性和温度稳定性，为拓宽了无铅压电材料应用范围
以锆钛酸铅 (PZT) 为代表的铅基压电材料因其优异的性能而被广泛应用，然而PZT含有大量有毒元素铅，因此开发高性能无铅压电材料来替代PZT就显得很重要。钛酸钡 (BTO) 和铌酸钾钠 (KNN) 是最具潜力的无铅压电体系，但因其固有的多步相变特征导致其相界倾斜，其大压电性能的温度稳定性与PZT差距很大，因此如何协同提高压电敏感性和温度稳定性是本领域的难题。
武海军拟利用其多步相变的不利特性，通过固溶引入多种置换原子来调控相稳定性，设计了两种新的相界调控思路：（1）引入准四相点，在该点附近，两个铁电相界靠近形成一个宽温域的、三相共存的相界带，纳米级共存相之间具有很小的能垒，便于电偶极子在外场下灵活响应；同时宽温域的相界带有利于高的压电敏感性的温度敏感性。基于该思路，武海军在BTO体系中固溶Sn和Ca，获得具有准四相点的相图，使压电系数从600 pC/N提升到700 pC/N，并且在室温以上40 oC的宽温域内（之前记录：仅一个温度点）压电系数大于600 pC/N。（2）调控两步铁电相变，使其彼此靠近但没有完全汇聚，形成一个宽温域的、三相共存的相界带。基于该思路，武海军在KNN体系中固溶Sb、Bi、Zr、Fe和Ag，获得了宽温域、三相共存的相变带，使压电系数从550 pC/N提升到650 pC/N，并且在室温以上30 oC的宽温域内 (之前记录：仅一个温度点) 压电系数大于550 pC/N。
武海军以一作/共一/通讯在该方向上发表IF>10文章9篇：Energ Environ Sci (2017, ESI高引文章), J Am Chem Soc (2016, ESI高被引文章, 2018, 2019, 2020), Adv Mater (2018), Adv Funct Mater (2019), Nano Energy (2020), Adv Electron Mater (2019)。武海军的上述工作，得到了业内专家的广泛好评：卧龙岗大学张树君教授在Adv Mater中多次讨论并肯定了武海军的工作，“Of particular significance is that compositional tuning … has achieved great success in improving the piezoelectric properties by constructing a new … phase boundary (通过固溶构建新相界在优化压电综合性能方面取得巨大的成功)”。同济大学翟继卫教授在其MSE-R综述中认为武海军的工作“little doubt ... exhibited high temperature stability (充分证明具有高的温度稳定性) ”。
4．无铅压电薄膜
利用点缺陷诱发形成极化纳米畴，破解了薄膜合金化和外延性的矛盾，实现了无铅压电薄膜性能的突破，为高性能无铅压电薄膜的设计提供新思路
相对于无铅压电陶瓷的快速发展，其薄膜的发展却很滞后，主要源于薄膜的外延性随着合金化程度增加而明显变差，陶瓷体系中引入多种元素合金化的方式很难被应用到薄膜体系。因此如何化解薄膜合金化和外延性的矛盾，提升无铅压电薄膜的性能是该领域的极大挑战。
武海军通过去合金化，调控材料零维无序点缺陷，诱发形成三维有序结构，实现了简单的成分但极高的性能。在铌酸钠(NaNbO3)薄膜体系，Na空位往往对性能不利。武海军反常规地增加Na的缺失，形成Nb反位缺陷，使其在薄膜界面上有序化形成二维反位畴，再沿薄膜面外生长形成纳米细丝反向畴。在高密度的反位相界的界面处形成Nb原子偏聚，具有很大的畸变，促使整个薄膜的Nb原子沿面外方向偏移，继而形成大的面外极化。最终获得了巨大的压电系数约1098 pC/N，是性能最好的无铅薄膜的四倍，是性能最好的铅基薄膜的两倍；因为去合金化，维持了材料本身极高的居里温度约450℃，保证了极好的温度稳定性。另外，武海军将零维无序点缺陷诱发形成三维有序结构扩展到过渡金属氧化物SrFeOx薄膜体系，通过氧空位有序化来调控相变，获得纳米级导电相(SrFeO3)和绝缘相(SrFeO2.5)的共存，有望应用到高密度的电阻转换存储器。
武海军以（共同）一作或通讯在该方向上发表文章3篇，包括Science (2020), Nat. Commun. (2021), Adv Mater (2019)等。武海军的上述工作，得到了业内专家的广泛好评：研究工作被Science的同期Insights专栏报道，概括我们的工作为“Less can be more in functional materials (成分越简单性能越好)”，称赞我们方法为“simple yet highly effective self-assembly (简单但是非常有效的自组装)”。
(创新港)
