研究發現拓撲材料可以提高熱電裝置的效率

【博科園-科學科普】如果你能在一個溫暖的夏日裡，在太陽的熱量下運行你的空調呢?隨著熱電技術的發展，這種可持續的解決方案可能有一天會成為現實。熱電裝置由材料製成，可以將溫差轉換成電能，而不需要任何移動部件——這一特性使得熱電成為潛在的有吸引力的電力來源。這種現象是可逆的:如果把電應用到熱電裝置上，它就能產生溫差。今天，熱電裝置被用於相對低功率的應用，比如在石油管道上為小型感測器供電，在空間探測器上備份電池，以及冷卻迷你冰箱。

但是，科學家們希望設計出更強大的熱電裝置，它能將熱產生的熱能作為工業過程和燃燒引擎的副產品，並將熱能轉化為電能。然而，熱電裝置的效率，或者它們能夠產生的能量，目前是有限的。現在麻省理工學院的研究人員發現了一種利用「拓撲」材料來提高效率的方法，這種材料具有獨特的電子特性。雖然過去的研究表明，拓撲材料可以作為有效的熱電系統，但對於這種拓撲材料中的電子如何響應溫度的差異，從而產生熱電效應，人們卻知之甚少。

麻省理工學院的研究人員正在尋找將熱能轉化為電能的方法，在某些拓撲材料中找到了有效的可能性。圖片版權：Christine Daniloff/MIT

在本周發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)雜誌上的一篇論文中，麻省理工學院的研究人員發現，與現有設備相比，某些拓撲材料具有潛在的更高效的熱電材料。麻省理工學院機械工程系的博士後劉鐵環表示：可以將這種納米結構材料的邊界推到一種方式，使拓撲材料成為一種好的熱電材料，比傳統的硅材料更重要。」「最終，這可能是一種清潔能源的方式，幫助我們利用熱源發電，從而減少二氧化碳的排放。

劉是《美國國家科學院院刊》的第一作者，其中包括研究生周佳偉、丁志偉、齊晨歌;李明達，核科學與工程學系助理教授;現為加州大學聖巴巴拉分校的助理教授，前研究生Bolin Liao;梁傅，物理學的Biedenharn副教授;陳剛，索德伯格教授，機械工程系系主任。

當一種熱電材料暴露在溫度梯度中——例如，一端是加熱的，而另一端是電子，它開始從熱端流向冷端，產生電流。溫差越大，產生的電流就越多，產生的電能就越多。能產生的能量取決於給定材料中電子的特定傳輸特性。科學家們觀察到，一些拓撲材料可以通過納米結構製成高效的熱電裝置，科學家們利用納米結構來合成一種材料。科學家們認為，拓撲材料的熱電優勢來自於其納米結構的熱導率降低。但目前還不清楚這種提高效率的方法如何與材料固有的拓撲性質相聯繫。

為了回答這個問題，Liu和他的同事研究了tin telluride的熱電性能，這是一種被認為是很好的熱電材料的拓撲材料。碲化鎘的電子也表現出一種特殊的性質，這是一種被稱為Dirac材料的拓撲材料。該研究小組旨在通過模擬電子穿過材料的方式，來了解納米結構對碲化鐵的熱電性能的影響。為了描述電子傳輸，科學家們經常使用一種叫做「平均自由路徑」的測量方法，或者平均距離，一個給定能量的電子在被各種物體或材料的缺陷散射之前，可以自由地在一種物質中傳播。

納米結構的材料就像一堆細小的晶體，每一個都有邊界，被稱為晶界，將一個晶體與另一個晶體分開。當電子遇到這些邊界時，它們傾向於以不同的方式分散。具有較長平均自由路徑的電子將會強烈地散射，就像子彈從牆壁上彈開，而較短的平均自由路徑的電子受到的影響要小得多。

在他們的模擬中，研究人員發現，錫碲化物的電子特性對其平均自由路徑有顯著影響。他們將tin telluride的電子能量範圍與相關的平均自由路徑進行了對比，發現結果圖與大多數傳統半導體不同。具體地說，對於tin telluride和可能的其他拓撲材料，研究結果表明：具有更高能量的電子具有更短的平均自由路徑，而低能量電子通常具有更長的平均自由路徑。

研究小組隨後研究了這些電子特性是如何影響到碲化銀的熱電性能的，本質上是將不同能量和平均自由路徑的電子的熱電貢獻相加。材料的導電能力，或在溫度梯度下產生電子流，很大程度上依賴於電子能量。發現低能量的電子往往會對電壓差的產生產生負面影響，從而產生電流。這些低能量的電子也有更長的平均自由路徑，這意味著它們可以比高能量電子更密集地分散在穀物邊界上。

在他們的模擬實驗中更進一步，研究小組使用了tin telluride的單個顆粒的大小來觀察這是否會對溫度梯度下的電子流動產生影響。當他們將平均顆粒的直徑減小到大約10納米時，將其邊界拉近觀察到高能電子的增加。也就是說，在較小的顆粒尺寸下，高能量的電子比低能量的電子對材料的導電性能的貢獻要大得多，因為它們的平均自由路徑更短，而且不太可能向晶界擴散。這會導致產生更大的電壓差。

更重要的是，研究人員發現，將碲化錫的平均粒徑降低到大約10納米，所產生的電量是這些材料所產生的更大顆粒的三倍。Liu說，雖然研究結果是基於模擬的，但研究人員可以通過合成tin telluride和其他拓撲材料來達到類似的效果，並利用納米結構技術調整其晶粒尺寸。其他研究人員認為，減少材料的粒徑可能會增加其熱電性能，但劉先生表示，他們大多認為理想的尺寸要比10納米大得多。

在我們的模擬實驗中，我們發現我們可以比以前認為的更能縮小拓撲材料的晶粒尺寸，並且基於這個概念，我們可以提高它的效率。碲化錫只是許多尚未開發的拓撲材料的一個例子。如果研究人員能夠確定每種材料的理想晶粒尺寸，他說，拓撲材料可能很快成為一種可行的、更有效的替代生產清潔能源的方法。我認為拓撲材料非常適合熱電材料，這是一種非常有前途的材料，用於未來的應用。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：國家科學院學報

內容：「博科園」判定符合今主流科學

來自：麻省理工學院

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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