自然:热电新材料可防热量浪费 硒化锡原子褶皱低电导低热导

王兴

作者：Mercouri G. Kanatzidis

来源：《自然》

发布时间：2014-4-21 14:09:51

热电新材料可防热量浪费



硒化锡材料成为回收利用废热领域研究领跑者。图片来源：美国西北大学

化石燃料通过生成热量造就了现代社会，但这一过程中的大部分热量都被浪费了。研究人员试图使用被称为“热电”的半导体设备回收一些热量，但它们中的大多数仍旧十分低效且昂贵。

现在，美国伊利诺伊州的科学家报告称，他们利用一种廉价的常见材料创造了迄今为止回收效率最高的热电。研究人员称，在该过程中，他们获得了宝贵的经验，最终可以使该材料的效率满足大范围应用的需求。若能实现大范围应用，热电在将来可以为汽车提供动力，并清理锅炉和电厂等释放出的能量。

热电设备是半导体厚片，这些半导体有着奇怪却有用的特性：在其一边加热可以产生电压，用于驱动电流和电力设备。为了获得电压，热电必须是良好的电导体以及不好的热导体。不幸的是，材料的电导性和热导性往往齐头并进，因此热电效率高的材料很难获得。科学家通常用ZT值标记热电效率高的特性，大范围应用热电的ZT值最低应达到3。

几年前，由西北大学化学家Mercouri Kanatzidis领导的团队发现了碲化铅（PbTe）的ZT值可达2.2，Kanatzidis和同事很受鼓舞，并开始测试PbTe的化学近亲。其中一种就是硒化锡（SnSe）。研究人员用不同方法合成硒化锡样本。结果显示，其中的b轴样本有较好的电导性和较低的热导率，ZT值达2.6。Kanatzidis称，超低热导率的关键似乎是锡和硒原子的褶皱排列，这种模式好像可以帮助原子在受到热振动时发生折曲，从而减弱SnSe的导热能力。研究结果发表在近日的《自然》杂志上。

“我很惊讶。”俄亥俄州立大学物理学家Joseph Heremans说，“对于这一领域来说，这是一个奇妙的结果。”Heremans认为，除了标志着向ZT值为3的热电迈进一大步之外，新材料还为未来研究的方式提供了经验。研究人员将试图通过强化微量的“掺杂”原子提高半导体的导电性，同时还保留关键的褶皱式原子排列。如果有人能成功生产出高ZT值材料，那么新的、更便宜的混合动力汽车发动机将会产生。在混合动力汽车发动机中，内燃机并不为汽车提供动力，而是产生热量，然后由热电将其转化为电力驱动马达。（苗妮）

http://www.nature.com/nature/jou ... ll/nature13184.html