研究人員新設計材料可回收廢熱作為能源

S. KELLEY/NIST

美國每年生產的能源約有1000億美元被浪費在熱能上。現在，一項新的研究發現，熱電材料中內置的微觀支柱可以極大地促進熱量轉化為電力，從而回收原本會損失的能量。

“冷卻應用目前是熱電器件的主要商業應用，”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研究所的半導體物理學家Kris Bertness說，“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非常匹配。”

美國能源部估計，僅工業使用的能源就有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，“想象這樣的影響真是令人興奮。”

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區域之間的大溫差來驅動電流。當然，好的導電體可以幫助電流流動。

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電的潛在替代品的廣泛使用。

現在，科學家們首次解開了一種材料的導熱性和導電性之間的聯系，特別是一種覆蓋著比可見光波長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個50至130納米寬、770至5700納米高的氮化鎵柱。接下來，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操縱原子振動和熱量。在固體材料中，這些振動以被稱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，就像振動的吉他弦固定在兩端一樣。科羅拉多大學博爾德分校的結構動力學家和材料物理學家Mahmoud Hussein及其同事發現，這使得在硅膜中傳播的聲子很難流動。

總之，科學家們發現，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。

然而，Bertness說：“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表明，他們的新策略可以將熱導率降低99%以上。Bertness說，這反過來可能導致大約18%的熱電轉換效率。

Bertness說，科學家們注意到，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，以簡化設計，并致力于探索未來硅以外材料的性能。此外，Bertness說，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，科學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電。

Bertness說：“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，比如我們在實驗中使用的硅，比傳統的熱電材料更豐富、更便宜。”

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