研究人员新设计材料可回收废热作为能源

S. KELLEY/NIST

美国每年生产的能源约有1000亿美元被浪费在热能上。现在，一项新的研究发现，热电材料中内置的微观支柱可以极大地促进热量转化为电力，从而回收原本会损失的能量。

“冷却应用目前是热电器件的主要商业应用，”该研究的共同高级作者、科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所的半导体物理学家Kris Bertness说，“这些器件的形状因子和材料成分使其与计算机芯片中的冷却热点非常匹配。”

美国能源部估计，仅工业使用的能源就有20%至50%作为热量损失。正因为如此，热电装置也可能有助于“重新利用每年浪费的大量能源，”Bertness说，“想象这样的影响真是令人兴奋。”

从理论上讲，如果热电材料既是坏的热导体又是好的电导体，那么它们的工作效果最好。坏的热导体可以支持两个区域之间的大温差来驱动电流。当然，好的导电体可以帮助电流流动。

然而，坏的热导体通常是坏的电导体，反之亦然。热电材料在商业设备中的效率仅为约3%至6%，这大大阻碍了它们作为传统制冷和发电的潜在替代品的广泛使用。

现在，科学家们首次解开了一种材料的导热性和导电性之间的联系，特别是一种覆盖着比可见光波长还薄的微小柱的薄膜。

在这项新的研究中，研究人员在硅片上沉积了数十万个50至130纳米宽、770至5700纳米高的氮化镓柱。接下来，研究人员从晶片的下侧去除了硅层，直到留下了大约200纳米厚的薄片。

换言之，这种新材料被设计用来操纵原子振动和热量。在固体材料中，这些振动以被称为声子的准粒子的形式传播。

纳米柱和硅膜都含有声子。然而，纳米柱中的声子是驻波，被柱壁固定，就像振动的吉他弦固定在两端一样。科罗拉多大学博尔德分校的结构动力学家和材料物理学家Mahmoud Hussein及其同事发现，这使得在硅膜中传播的声子很难流动。

总之，科学家们发现，他们的新设计使材料的整体热导率降低了21%，而导电率保持不变。这种热导率的降低可能使硅将热转化为电的效率加倍。我们正在为热电材料引入一种新的设计原理，”Bertness说。

然而，Bertness说：“硅是一种很糟糕的热电器件材料。” 她指出，热导率的降低可能只会将硅的热电转换效率从0.16%提高到0.3%。

研究团队的模型确实表明，他们的新策略可以将热导率降低99%以上。Bertness说，这反过来可能导致大约18%的热电转换效率。

Bertness说，科学家们注意到，他们看到的效果并不是因为纳米柱像散热器上的散热片一样起作用。样品中柱之间的间隙太小，不允许空气形成冷却对流电池。

研究人员现在正在研究完全由硅制成的结构，以简化设计，并致力于探索未来硅以外材料的性能。此外，Bertness说，他们正在研究其他可能取得更好结果的几何形状，例如具有蚀刻表面的膜。

Bertness说，科学家们将首先瞄准热电装置原型的冷却应用。尽管如此，他们还是希望利用余热发电。

Bertness说：“我们现在可以考虑许多其他用于热电器件的材料，这些材料，比如我们在实验中使用的硅，比传统的热电材料更丰富、更便宜。”

研究人员于5月10日在《高级材料》杂志上在线详细介绍了他们的发现（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202209779）。