導語：熱電裝置具有高度通用性，能夠將熱量轉化為電能，將電能轉化為熱能。它們體積小，重量輕，而且非常耐用，因為它們沒有活動部件，這就是為什麼它們被用來為NASA太空飛行器提供長期任務，包括1977年發射的旅行者太空探測器。
因為向熱電施加電流會使帶電粒子從材料的熱側擴散到冷側，所以它們廣泛用於冷卻應用以將熱量從系統中吸出，例如在熱泵，光纖設備和汽車中座椅並控制電池組的溫度。該過程也是可逆的，並且可以有效地回收「廢熱」以從諸如車輛尾管的熱表面產生有用的電力。
儘管它們具有多功能性和可靠性，但是在許多應用中使用熱電技術仍然是一個挑戰，因為與傳統的電源和加熱或冷卻系統相比，它們具有相對高的成本和低效率。為了獲得最大效率，熱電材料既需要良好的電導體，又需要在相同材料中很少發現導熱性差的導體。
杜克大學的工程師們正在橡樹嶺國家實驗室（ORNL）使用冷（低能量）中子散射技術研究原子的振動運動，稱為「聲子」，這是熱量通過熱電材料傳播的方式。通過了解聲子如何在熱電子中移動和散射，科學家希望最終控制聲子和電子傳輸，以提高電導率，同時最大限度地減少熱流。
「我們正在使用中子來研究熱電材料，因為我們可以調整它們的能量以匹配聲子的較低能量，從而提供更高的解析度，」Tyson Lanigan-Atkins博士說。杜克大學的學生，在機械工程和材料科學副教授Olivier Delaire工作的一個小組。「中子還使我們能夠在更複雜的樣品環境中進行研究，例如我們在高溫環境中使用的定製封裝。」
在實驗中使用的熱電材料是單晶硒化鉛，它是研究並商業化用於熱電發電機的第一合金之一。由於系統中電子和晶格振動之間的獨特耦合以及這種轉變對導熱性的影響，科學家們對材料在高溫下的結構相變感興趣。
在ORNL的高通量同位素反應堆（HFIR）的冷中子三軸光譜儀（CTAX）中子束線上進行研究時，科學家們需要將大晶體對準在一定程度或兩個相互之間。他們在設計實驗時遇到了一些工程挑戰，包括開發樣品架以正確定位封裝晶體在中子束內。
「材料變得非常不穩定基本上它開始蒸發，在真空條件下和常見的氣體環境中，這通常是我們進行高溫實驗的方式，」ORNL核科學與工程理事會振動光譜學家Jennifer Niedziela說。 Delaire小組的博士後研究員。「預見到這些問題，我們將樣品封裝在石英膠囊內，以保持樣品周圍的受控氣氛，這使我們能夠研究聲子動力學。這突出了中子散射的另一個優勢，因為我們可以在路徑上放置大量材料。中子束，如石英，羊毛和電線，仍然可以看到我們感興趣的信號。「
樣品架的設計經過多次迭代，以確保研究人員能夠安全地加熱樣品。他們諮詢了ORNL玻璃工廠的專家，他們製作了石英膠囊，樣品環境實驗室以及高溫材料專家，以確保他們能夠設計出符合研究人員目標的支架。每個支架必須設計成將晶體保持在固定的方向並且適合在高溫樣品環境中的相對小的區域內。如果要移動樣品，他們可能會使爐子短路並導致其關閉。
由於所使用的中子儀器的解析度限制，以前解決低於1.0毫電子伏特（meV）的聲學聲寬線寬的努力未成功。然而，由CTAX光束線傳遞的冷中子非常適合於高解析度測量具有高信噪比的晶體固體中的晶格動力學，例如熱電材料。「在CTAX上使用三軸光譜儀，我們獲得了在高溫條件下低於1.0 meV的聲學聲子線寬的優秀數據，」Niedziela說。
結語：在中子散射測量使杜克研究小組獲得獨特的，強大的見解微觀熱輸送現象是能源應用的重要材料。