尋找最優(yōu)熱電材料

徐偉

在現(xiàn)代生活中，能源的消耗量極大，大到煉鋼廠、汽車，小到計(jì)算機(jī)、手機(jī)，每天都在消耗著大量的電能、熱能，然而這些能量并未得到充分的利用。

我們可以算一筆能源賬：普通的計(jì)算機(jī)功率大概在200～300瓦之間，如果每天開機(jī)10個(gè)小時(shí)，就是2～3度電。如果有1億臺(tái)計(jì)算機(jī)，大概每天就要用掉2億～3億度電，由于廢熱浪費(fèi)的電能大概占到20%，即4000萬～6000萬度的電能被白白浪費(fèi)掉了。那么能否將這些廢熱利用起來，提高能源的利用效率呢？答案是：有！

在過去的幾十年里，科學(xué)家一直致力于發(fā)展一種材料，這種材料可以將熱能轉(zhuǎn)化為電能，它被稱為熱電材料。這種材料的奇特性能來源于它可以將熱量一份一份地打包給電能的攜帶者——電子或空穴載流子。在這種特殊材料中，電子或空穴載流子將熱量從高溫的一端攜帶到低溫的一端，熱量被傳遞的同時(shí)，電子或空穴的定向移動(dòng)導(dǎo)致材料的兩端產(chǎn)生了電壓，這種電壓就為人們提供了新的能源。

發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)

1821年，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克無意中發(fā)現(xiàn)，任何導(dǎo)體（金屬）一端被加熱，另一端未加熱，產(chǎn)生熱的梯度時(shí)都會(huì)產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象被稱為塞貝克現(xiàn)象。物理學(xué)家利用這一效應(yīng)來測(cè)量物體的溫度，這種利用熱電性能進(jìn)行測(cè)溫的器件被稱為熱電偶。一般來說熱電偶產(chǎn)生的電壓很小，目前在醫(yī)療上常用的紅外線溫度計(jì)中采用的是便是串聯(lián)起來的熱電偶。

1834年，法國(guó)物理學(xué)家鉑爾帖發(fā)現(xiàn)了一個(gè)奇特的現(xiàn)象，將兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，在回路中接入直流電，兩個(gè)接頭之間有一定溫差，這種效應(yīng)被稱為鉑爾貼效應(yīng)。這種效應(yīng)是與塞貝克效應(yīng)相反的，物理學(xué)家很快利用這種效應(yīng)，制成了能夠制冷的元器件，稱為熱電制冷器。

盡管人們很早就發(fā)現(xiàn) 了熱電效應(yīng)（塞貝克-鉑爾貼效應(yīng)），但真正對(duì)熱電材料集中研究是20世紀(jì)中葉開始的。為了滿足能源轉(zhuǎn)化的需求，必須選擇合適的熱電材料來實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電或電制冷效應(yīng)。如同購(gòu)買電腦時(shí)，人們考慮中央處理器（CPU）的頻率，內(nèi)存的大小，硬盤大小等各項(xiàng)指標(biāo)；在選擇熱電材料的時(shí)候，物理學(xué)家給出了幾個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)，即材料的電導(dǎo)率、熱功率、熱導(dǎo)率以及工作溫度4個(gè)參數(shù)，它們組合在一起，形成了一個(gè)叫做ZT值的參數(shù)。這樣全世界的科學(xué)家都可以以此為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估自己做出來的熱電材料?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)置了分階段的指標(biāo)，ZT值小于1，大于1，大于2，大于20等。

尋找熱電材料的途徑一：合成

早期尋找熱電材料的主要途徑是比較原始的方法，即合成出成千上萬種材料，逐個(gè)測(cè)量其熱電性能，獲取最佳的配方。

合金型熱電材料

1952年，蘇聯(lián)著名物理學(xué)家阿布拉姆·約飛研究發(fā)現(xiàn)，材料的熱導(dǎo)率與組成材料的原子體積有關(guān)系，體積越大，熱導(dǎo)率越低。約飛建議將半導(dǎo)體材料的合金作為熱電材料，可以提高熱電效率。合金熱電材料并非不銹鋼這樣傳統(tǒng)的金屬合金，之所以稱為合金，是因?yàn)楹辖馃犭姴牧弦彩怯蓛煞N不同物質(zhì)混合而成，也采用傳統(tǒng)金屬合金的生產(chǎn)工藝；另外一個(gè)原因是，這類合金材料是將兩種或多種單質(zhì)元素進(jìn)行混合，形成了類似混合溶液一樣的固熔體。如果把一種物質(zhì)的原子假設(shè)成水泥，另外一種物質(zhì)的原子假設(shè)成沙子，這種合金化的工藝就類似于將水泥和沙子混合，形成混凝土。這種合金化熱電材料合成方法工藝簡(jiǎn)單，熱電性能也高，一直傲居傳統(tǒng)熱電材料的榜首。

復(fù)雜結(jié)構(gòu)熱電材料

自20世紀(jì)80年代起，隨著電子顯微鏡、同步輻射等先進(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)了一批特殊結(jié)構(gòu)的熱電材料。這些熱電材料由于 ZT分值高，得到材料學(xué)家、物理學(xué)家的青睞。這類材料的發(fā)展起源于美國(guó)橡樹林國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的布萊恩·賽爾斯的設(shè)想：制造一種既像晶體一樣具有良好導(dǎo)電性能、又像玻璃一樣具有較差導(dǎo)熱性能的熱電材料。在這一思想的指引下，出現(xiàn)了多種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的熱電材料。

尋找熱電材料的途徑二： 改裝

目前，還有更新的尋找熱電材料的途徑，主要是通過結(jié)合其他學(xué)科已有的方法，將原始的熱電材料進(jìn)行改裝，從而獲得超高性能的熱電材料。

納米化熱電材料

20世紀(jì)90年代，納米材料時(shí)代剛剛開啟，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)將熱電材料制備成納米顆粒、納米線、納米棒，或者做成千層餅一樣的超晶格結(jié)構(gòu)，可以將熱電材料的ZT分值提高到2以上。美國(guó)科學(xué)家瓦爾和帕克通過分子束外延手段制備出多層膜結(jié)構(gòu)的硅熱電材料，其熱導(dǎo)率可以大大降低。有人通過理論方法計(jì)算，估計(jì)其熱電性能分值可以比未經(jīng)改造的硅要高出70多倍。

除了二維的結(jié)構(gòu)外，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，合成出的納米線、納米空心管、納米空心囊結(jié)構(gòu)，也可以大大提高熱電材料的ZT分值。比如，我國(guó)科學(xué)家早在2004年便利用水熱合成方法，制備了碲化鉍的納米空心管，其性能可以提高20%之多。

美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的研究人員則采用一種基于量子點(diǎn)的材料，可以只讓電子通過而不讓光子通過，確保熱量不會(huì)被光子從熱電材料的熱端帶到冷端，兩邊可以始終維持較大的電壓差，大幅提高熱電材料的分值。

復(fù)合模塊型熱電材料

2012年，美國(guó)西北大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種層級(jí)復(fù)合型的熱電材料。這種材料的基礎(chǔ)是碲化鉛，它本身就具有熱電轉(zhuǎn)換性質(zhì)，研究人員又進(jìn)行了一系列改造：先在其中加入鈉原子，提高其導(dǎo)電性，然后加入碲化鍶，降低其導(dǎo)熱性，還在材料上開了許多縫隙，進(jìn)一步降低導(dǎo)熱性，而使電子仍能移動(dòng)。這種復(fù)合型材料，具備了比納米結(jié)構(gòu)熱電材料更高的ZT分值，達(dá)到2.2左右，可以將15%～20%的廢熱轉(zhuǎn)化為電能。而這種方法很有可能成為主流的材料合成手段，引領(lǐng)熱電材料合成新熱潮。

目前，許多微米級(jí)電機(jī)系統(tǒng)也采用了熱電材料制成的器件。市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了微型溫差電池驅(qū)動(dòng)的助聽器和手表，甚至還有可以植入人體內(nèi)的微型熱電器件，它可以作為電源用于植入人體內(nèi)的心臟起搏器。在航空航天領(lǐng)域，美國(guó)“好奇”號(hào)火星車的動(dòng)力有一部分就是熱電器件提供的。而硅半導(dǎo)體探測(cè)器的冷卻模塊也采用了熱電器件，從而降低對(duì)液氮的消耗。

在過去的幾十年里科學(xué)家已經(jīng)將熱電材料的性能提高了一個(gè)量級(jí)，在未來的若干年里，熱電材料的性能還能上一個(gè)臺(tái)階。屆時(shí)，利用煉鋼廠廢熱、汽車尾氣廢熱、手機(jī)、計(jì)算機(jī)電子產(chǎn)品的散熱發(fā)電、節(jié)約能源的夢(mèng)想將會(huì)實(shí)現(xiàn)。