科学家利用新型混合材料将热电效率提高一倍

【蜂耘网 新材料】这两种材料的晶格结构非常不同，因此热振动不能轻易地从一个晶体传递到另一个晶体。

一个国际研究团队已经开发出新的、高效的热电材料，这种材料有可能与目前最先进的化合物竞争，同时提供更高的稳定性和更低的生产成本。

在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）主任博士后Fabian Garmroudi博士的带领下，研究团队成功开发出混合材料，通过采用一种新颖的方法，同时抑制晶格振动并提高载流子的迁移率。

根据Garmroudi的说法，这项创新在于将两种机械性能完全不同但电子特性相似的材料结合在一起。

这项研究背后的想法源于热电材料直接将热量转化为电能的潜力，这使得它们对不断发展的物联网特别有吸引力，尤其是在为微传感器和其他微型电子元件自主供电方面。

为了提高它们的效率，必须同时抑制通过晶格振动的热传递和提高电子迁移率，这是一个长期阻碍该领域进展的挑战。

解锁未知属性

高效热电材料 —— 将热量转化为电能的固态半导体 —— 需要有效地导电，同时最大限度地减少热量传递。然而，这本身就提出了一个挑战，因为导电良好的材料通常也能有效地导热。

“在固体物质中，热量通过移动电荷载体和晶格中原子的振动传递，”Garmroudi说，并强调在过去的几十年里，研究人员已经设计出先进的技术来设计热电材料，其导热性非常低。

“在热电材料中，我们主要试图抑制通过晶格振动的热传输，因为它们无助于能量转换，”他补充说。

Garmroudi回忆起他在日本筑波进行研究期间开发的新型混合材料，该研究得到了狮子奖的支持，并在国家材料科学研究所开展，作为他在维也纳理工大学（TU Wien）工作的一部分。

在高温高压下，他熔合了两种不同的粉末，一种是由钒、钽和铝的铁基合金制成的（Fe2V0.95Ta0.1Al0.95），另一种是由铋锑混合物制成的（Bi0.9Sb0.1）。结果是一种紧凑的杂化材料，具有很好的热电势。

此外，由于化学和机械特性的不同，这两种材料在原子尺度上不能混合。相反，铋锑成分选择性地积聚在FeVTaAl合金晶体之间微米大小的界面上。

热电分离

根据Garmroudi的说法，这两种材料具有截然不同的晶格结构，这意味着它们允许的量子晶格振动并不一致。因此，热振动不能轻易地从一个晶体传递到另一个晶体，这极大地限制了它们界面上的热传递。

由于这两种材料具有相似的电子特性，电荷载流子不仅可以自由移动，而且在界面处也会显著加速，原因是BiSb组件形成了拓扑绝缘体相，这是一种量子态，可以阻止内部传导，同时实现几乎无损的表面传输。

Garmroudi在一份新闻稿中总结道：“这使我们离开发一种热电材料的目标又近了一大步，这种热电材料可以与基于碲化铋的市售化合物竞争。”他补充说，热和电荷传输的目标解耦使该团队能够将材料的效率提高100%以上。

20世纪50年代引入的碲化铋至今仍被视为热电材料的基准。然而，新的混合材料在稳定性和成本效益方面提供了一个主要优势。

（蜂耘新材料网  责任编辑：科技蜜）