硅中嵌入鍺晶體可有效阻止熱傳導(dǎo)

據(jù)德國萊布尼茨固態(tài)與材料研究所網(wǎng)站報道，近日，該所參與的一個德法聯(lián)合研究小組通過在硅材料中嵌入鍺納米晶體，有效地阻止了熱傳導(dǎo)，使其可用于溫差發(fā)電，開創(chuàng)了硅材料新的應(yīng)用領(lǐng)域。最新一期的《自然·材料》雜志報道了這個或?qū)硗黄频某晒?/p>

硅是微電子的關(guān)鍵材料。如果沒有硅，我們今天可能既不會有便宜、緊湊的計算機，也不會有互聯(lián)網(wǎng)。硅成功的很大一部分原因是其良好的導(dǎo)熱性。芯片里通過電流流動產(chǎn)生的熱量，可因此特性而很快被導(dǎo)走。導(dǎo)熱性是一個與溫度相關(guān)的材料常數(shù)，其大小用導(dǎo)熱系數(shù)來衡量，單位是瓦/（米×開爾文），即W/（m·K）。硅的導(dǎo)熱系數(shù)約為150 W/（m·K）（此值與溫度有關(guān)，273 K時為163.3 W/（m·K））。

未來，熱電技術(shù)或?qū)⑾裉柲芗夹g(shù)一樣起革命性的作用，并且有益于氣候的保護。因此，人們越來越關(guān)注合適的熱電材料，進而將目光放到硅這一半導(dǎo)體領(lǐng)域里最受人青睞的材料。不過，這種導(dǎo)熱性同時也是硅至今仍不能被用于溫差發(fā)電的原因。為了將熱轉(zhuǎn)化為電，或者反過來將電轉(zhuǎn)換成熱，需要尋找的是導(dǎo)熱系數(shù)低的材料。最有潛力的熱電轉(zhuǎn)換是將各種余熱直接轉(zhuǎn)化成電能。

此次，研究人員通過在硅材料中嵌入了鍺納米晶體，有效地阻止了熱傳導(dǎo)。該方法能夠?qū)⒐璧膶?dǎo)熱系數(shù)降至低于1W/（m·K）。比雙層玻璃窗的值還要低。這一發(fā)現(xiàn)開辟了未來硅基材料在芯片現(xiàn)場冷卻，即片上低溫冷卻這一方面應(yīng)用的可能性。此外，將過程中產(chǎn)生的熱現(xiàn)場轉(zhuǎn)化為可用電能的小型電廠也因此變得觸手可及。

該發(fā)現(xiàn)對于理解確定新的創(chuàng)新材料導(dǎo)熱系數(shù)的基本物理機制非常重要。