研究人員新設計材料可回收廢熱作為能源

S. KELLEY/NIST

美國每年生產(chǎn)的能源約有1000億美元被浪費在熱能上?，F在，一項新的研究發(fā)現，熱電材料中內置的微觀(guān)支柱可以極大地促進(jìn)熱量轉化為電力，從而回收原本會(huì )損失的能量。

“冷卻應用目前是熱電器件的主要商業(yè)應用，”該研究的共同高級作者、科羅拉多州博爾德市國家標準與技術(shù)研究所的半導體物理學(xué)家Kris Bertness說(shuō)，“這些器件的形狀因子和材料成分使其與計算機芯片中的冷卻熱點(diǎn)非常匹配?！?/p>

美國能源部估計，僅工業(yè)使用的能源就有20%至50%作為熱量損失。正因為如此，熱電裝置也可能有助于“重新利用每年浪費的大量能源，”Bertness說(shuō)，“想象這樣的影響真是令人興奮?！?/p>

從理論上講，如果熱電材料既是壞的熱導體又是好的電導體，那么它們的工作效果最好。壞的熱導體可以支持兩個(gè)區域之間的大溫差來(lái)驅動(dòng)電流。當然，好的導電體可以幫助電流流動(dòng)。

然而，壞的熱導體通常是壞的電導體，反之亦然。熱電材料在商業(yè)設備中的效率僅為約3%至6%，這大大阻礙了它們作為傳統制冷和發(fā)電的潛在替代品的廣泛使用。

現在，科學(xué)家們首次解開(kāi)了一種材料的導熱性和導電性之間的聯(lián)系，特別是一種覆蓋著(zhù)比可見(jiàn)光波長(cháng)還薄的微小柱的薄膜。

在這項新的研究中，研究人員在硅片上沉積了數十萬(wàn)個(gè)50至130納米寬、770至5700納米高的氮化鎵柱。接下來(lái)，研究人員從晶片的下側去除了硅層，直到留下了大約200納米厚的薄片。

換言之，這種新材料被設計用來(lái)操縱原子振動(dòng)和熱量。在固體材料中，這些振動(dòng)以被稱(chēng)為聲子的準粒子的形式傳播。

納米柱和硅膜都含有聲子。然而，納米柱中的聲子是駐波，被柱壁固定，就像振動(dòng)的吉他弦固定在兩端一樣?？屏_拉多大學(xué)博爾德分校的結構動(dòng)力學(xué)家和材料物理學(xué)家Mahmoud Hussein及其同事發(fā)現，這使得在硅膜中傳播的聲子很難流動(dòng)。

總之，科學(xué)家們發(fā)現，他們的新設計使材料的整體熱導率降低了21%，而導電率保持不變。這種熱導率的降低可能使硅將熱轉化為電的效率加倍。我們正在為熱電材料引入一種新的設計原理，”Bertness說(shuō)。

然而，Bertness說(shuō)：“硅是一種很糟糕的熱電器件材料?！?她指出，熱導率的降低可能只會(huì )將硅的熱電轉換效率從0.16%提高到0.3%。

研究團隊的模型確實(shí)表明，他們的新策略可以將熱導率降低99%以上。Bertness說(shuō)，這反過(guò)來(lái)可能導致大約18%的熱電轉換效率。

Bertness說(shuō)，科學(xué)家們注意到，他們看到的效果并不是因為納米柱像散熱器上的散熱片一樣起作用。樣品中柱之間的間隙太小，不允許空氣形成冷卻對流電池。

研究人員現在正在研究完全由硅制成的結構，以簡(jiǎn)化設計，并致力于探索未來(lái)硅以外材料的性能。此外，Bertness說(shuō)，他們正在研究其他可能取得更好結果的幾何形狀，例如具有蝕刻表面的膜。

Bertness說(shuō)，科學(xué)家們將首先瞄準熱電裝置原型的冷卻應用。盡管如此，他們還是希望利用余熱發(fā)電。

Bertness說(shuō)：“我們現在可以考慮許多其他用于熱電器件的材料，這些材料，比如我們在實(shí)驗中使用的硅，比傳統的熱電材料更豐富、更便宜?！?/p>

研究人員于5月10日在《高級材料》雜志上在線(xiàn)詳細介紹了他們的發(fā)現（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202209779）。