新材料打破热-电转换世界纪录学术资讯

Ernst Bauer教授正在实验室中工作。

热电材料可以将热能转化为电能，其工作原理是塞贝克效应——如果热电材料的两端存在温差，就会产生电压，电流就会开始流动。热电材料在给定温差下的热电性能是由材料的ZT值衡量的，ZT值越高，热电性能越好。目前，最好的热电材料的ZT值为2.5~2.8。

phys.org网站11月14日报道，奥地利维也纳技术大学的科学家们已成功开发了一种ZT值高达5~6的全新材料。新材料是由铁、钒、钨、铝和硅晶体组成的，其热电性能非常好，可以用于为传感器、小型计算机处理器无线供能。相关研究成果刊登于《自然》杂志。

“好的热电材料必须具备很强的塞贝克效应，并且还需要满足两个难以调和的重要要求。一方面，它的导电性要足够好，另一方面，它输送热量的效率必须很高。这就形成了一个巨大的挑战，因为导电性和导热性通常是密切相关的。” 奥地利维也纳技术大学固体物理研究所的Ernst Bauer教授说。

2013年，Bauer教授在维也纳技术大学建立了克里斯蒂安•多普勒热电实验室。在过去的几年中，科学家们研究了多种热电材料。最终，他们发现了这种非凡的混合材料。Bauer说：“热电材料中的原子通常是按照严格的顺序在面心立方晶格中排列的。同类原子之间的距离总是相同的。因此，整个晶体是完全规则的。”然而，当混合金属薄层材料与硅结合后，惊人的变化产生了：材料的结构发生了根本性变化。虽然原子仍然构成立方体结构，但它们形成的是以空间为中心的结构，不同类型原子的分布变得完全随机化。Bauer解释说：“两个铁原子可能彼此相邻，而相邻位置也可能被钒或铝占据。在晶体中找到下一个铁原子不再有规则可循。”

原子排列规律性与非规律性的混合改变了材料的电子结构，而电子结构又决定了电子在固体中的运动方式。Bauer说：“电荷以一种特殊方式通过材料，可以避免散射过程，并获得较低的电阻。通过材料的部分电荷被称为威尔费米子。”此外，晶格振动负责将热量由高温区域输送到低温区域，振动被晶体结构中的不规则现象所抑制，导致热导率降低。保持温差的长期性非常重要，如果温差很快就达到了平衡，那么热电效应也就停止了。

Bauer接着说：“当然，这么薄的材料不可能产生特别高的能量，但它有紧凑程度高和适应性强的优势。我们希望用新热电材料为传感器和小型电子设备无线供能。快速发展的‘物联网’智能化程度越来越高，其对热电材料的需求也越来越强。而对未来的工厂而言，设备之间的自动协调非常关键。寄希望于用密密麻麻的有线连接满足动态反应的需求，显然已经不合时宜。”

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编译：雷鑫宇

审稿：阿淼

责编：唐林芳

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836

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