出乎意料，拓扑材料竟然能提高热电转换效率，MIT 团队发布最新研究成果

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想象一下，在炎热的夏天，你躺在空调房里，不过与以往不同的是给空调供电的是太阳热能而非常规电力。随着热电科技的进步，这种可持续的供电方案有朝一日会变为现实。

热电装置使用的是温差材料，它能将温差转化为电能而无需任何机械运动——这是热电最吸引人的特点。热电效应是可逆的：如果给热电装置供电，它就会产生温差。目前，热电装置在低功率设备上有所应用，比如为石油管道的小型传感器供电、作为空间探测器的后备电源、以及迷你冰箱。

但科学家希望设计出功率更大的装置来收集工业过程和内燃机产生的废热，并将这些废热转化为电能。然而，目前热电装置的效率，或者它们所产生的能量是非常有限的。

最近，MIT 的研究人员用一种具有独特电特性的“拓扑”材料（“topological” materials），可以将热电装置的效率提高三倍。虽然过去已经有研究工作表明拓扑材料可以应用于高效的热电统，但当时研究人员还不清楚在拓扑材料中电子如何响应温差并产生热电效应。

“我们发现我们能够以某种方式延伸纳米结构材料的边界，进而使拓扑材料成为好的热电材料，比硅等半导体性能更优异，”MIT 机械工程系博后 Te-Huan Liu 介绍说。“最终，这种清洁能源将帮助我们利用热源产生电力，并减少碳排放量。”

目前，该研究由美国能源部固态太阳热能转换中心和美国国防高级研究计划局（DARPA）资助。

 

自由程

当热电材料置于温度梯度中时，比如一头热一头冷，材料中的电子就开始从热端流向冷端，从而产生电流。温差越大，电流越强，产生的电能就越多。对于给定材料，产生的能量大小取决于材料的电子传输特性。

科学家观察到，通过纳米架构，一些拓扑材料可以制成高效热电装置。科学家可以用这种技术在纳米尺度上合成特定性能的材料。科学家曾认为，拓扑材料的热电优势在纳米结构的低热导率。但热电效率得到提高如何与材料固有的拓扑性质联系在一起，这点目前还不清楚。

为了解答这个问题，刘博士和同事研究了碲化锡的热电性能。拓扑材料碲化锡是是一种公认的好的热电材料。碲化锡材料内的电子还展现出另一种独特特性，这点类似于狄拉克（Dirac）材料的电子特性。

团队想通过模拟电子穿过材料的方式，了解到纳米架构对碲化锡的热电特性有何影响。为了正确表征电子传输，科学家通常用“平均自由程”（mean free path）来测量，即给定能量的电子被散射之前在材料中的平均前进距离。

纳米结构材料类似于微小晶体的组合，每个晶体都有边界，称为晶界。晶界将晶体相互分开。平均自由程长的电子散射较强烈，就如同子弹射中墙体后反弹一样。而平均自由程短的电子受影响较小。

在模拟中，研究人员发现碲化锡的电子特性对它们的平均自由程有显著影响。他们绘制了碲化锡材料内电子的平均自由程随能量变化的关系曲线，发现得到的图像与大多数传统半导体图像有很大差别。具体而言，对于碲化锡等拓扑材料，结果表明高能量平均自由程较短，低能量电子平均自由程较长。

随后，研究团队通过总结不同能量和平均自由程的电子堆热电效应的贡献，分析这些电子特性如何影响碲化锡的热电性能。结果表明，存在温度梯度时，材料的导电性，或者说产生电流的能力很大程度上取决于电子能量。

特别是，他们发现低能电子对产生电压差具有负面作用，因此也会影响到电流。这些低能电子有较高的平均自由程，意味着它们相比于高能电子，晶界散射作用更强烈。

减小尺寸

随着模拟进一步进行，团队将碲化锡晶体的尺寸考虑进去，看单晶粒的大小是否对温度梯度下的电流有影响。研究人员发现，当把晶粒的平均尺寸降低到 10 纳米以下时，晶体边界更紧密，高能电子的贡献增加。

也就是说，晶粒尺寸越小，高能电子对材料的导电性贡献越大，他们的平均自由程也越短，就越不容易与晶界发生散射。结果就能产生更大的电压。

而且，研究人员发现，把碲化锡晶粒的平均尺寸降到 10 纳米左右时，材料产生的电力是大晶粒的三倍。

刘博士说，虽然结果是基于模拟实验，但研究人员通过合成碲化锡等拓扑材料，并利用纳米技术调整晶粒尺寸，可以达到同样的热电性能。有研究人员提出缩小材料晶粒的尺寸可能会提升其热电性能。但刘博士说很多人假设的最佳尺寸要比 10 纳米大得多。

“在模拟中，我们发现拓扑材料晶粒可以被缩小到比我们先前认为的要小得多的尺寸，正是基于此，我们才能提高其效率，”刘博士介绍说。

碲化锡只是众多拓扑材料的一种，还有很多需要探索。如果研究人员能得出每种材料的最佳晶粒尺寸，拓扑材料很快会成为清洁能源的有效替代方案。

“我认为拓扑材料是良好的热电材料，而我们的结果也表明它是一种很有应用希望的材料，”刘博士说。

-End-

校审：郝锕铀

参考：

http://news.mit.edu/2018/topological-materials-turning-heat-electricity-0117

 

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