新型熱電材料展示出巨大的IoT應用潛力

2020-11-22 電子工程專輯

研究人員近日開發出一種新型材料，相比之前的熱電材料，它能更好地將熱量轉化為電能。這一發現可能為物聯網帶來巨大的福音。K3IEETC-電子工程專輯

基於電池的解決方案正變得越來越高效且越來越小型化。但是，對於一些還無法充分提高其電池電量的應用，例如物聯網中旨在實現零能耗的傳感器，仍將依賴能量收集技術。K3IEETC-電子工程專輯

能量收集是指從環境或系統本身收集能量，來為電子設備供電。對能量收集的關注刺激了互補技術的發展，比如超低功耗（皮瓦）微電子器件和超級電容器。K3IEETC-電子工程專輯

此時，可以將熱能轉換為電能的熱電材料開始發揮作用。這種前所未有的能力可提供自主和可再生的能源，它廣泛應用於多種技術，例如傳感器甚至小型計算機處理器，使它們能夠通過溫差自身產生能量。越來越多高效的器件的出現可能為這種新的解決方案鋪平道路，這種方案會充分利用能量收集的優勢。K3IEETC-電子工程專輯

塞貝克(Seebeck)效應是指由於材料兩側之間的溫度差異而引起電壓差的現象。PN結是熱電器件（TEG）的基本組件，它由P型和N型的單一結構熱電材料組成，這種單一結構是通過向矽中摻雜硼（P）和磷（N）等雜質而實現，多個PN結再電氣串聯。K3IEETC-電子工程專輯

圖1：TEG熱電發生器本質上由具有兩個表面的珀耳帖(Peltier)單元表示：熱（h）和冷（c）K3IEETC-電子工程專輯

TEG模塊實質上由多個串聯的PN結組成。這種結構產生的電壓與溫度差成正比：從熱的角度看，PN結平行放置。熱電或TEG發電模塊已經用於許多領域，以收集由放射性物質衰減而產生的熱量（如圖1）。在這個過程中，效率取決於設備熱端（Th）和冷端（Tc）之間的溫度差以及熱電材料的性能，用熱電品質因素ZT表示如下：其中，S、ρ和λ分別是塞貝克係數、電阻率和導熱係數，T是測量熱電特性時的溫度。所謂的ZT值表明在給定溫差下可以產生的電能：材料的ZT值越高，其熱電性能越好。要提高某種材料的熱電性能，必須提高功率因數 PF=S2/ρ，並且減小導熱係數 λ=λ e+ λ ph（λ e和λ ph分別代表電子和聲子的貢獻）。K3IEETC-電子工程專輯

熱處理過程的效率取決於三個參數：塞貝克係數、電阻率和導熱係數。這三個構成熱電品質因數的物理特性並非彼此獨立，要改善一個而不削弱另一個是很困難甚至不可能的。λph(T) 是唯一一個可以隨意更改而不會影響其它的參數。因此，提高整體效率的最有效方法就是減小尺寸。維也納工業大學固體物理研究所的Ernst Bauer教授正在進行一項研究，專注於在矽晶片上沉澱全Heusler薄膜合金，因為這種材料的PF和ZT值相當高且成本適中。除了在熱電效能上有較高的價值外，這種薄膜材料還可作為微電子等應用領域的基礎。K3IEETC-電子工程專輯

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迄今為止，已知的最佳熱電材料ZT值介於2.5和2.8之間。而維也納工業大學的科學家們已經成功開發出ZT值介於5至6之間的全新材料，這是塗在矽晶體上的一層薄薄的鐵、釩、鎢和鋁。這種新型的高效材料可能顛覆傳感器電源市場，尤其是在無線傳感器網絡（WSN）市場中。無電池解決方案的使用利於環保，傳感器如果能夠從環境中自己產生能量無疑是更聰明的做法。這種新型材料發表在《自然雜誌》上，它具有結果緊湊和適應性強的優點。K3IEETC-電子工程專輯

 「一種良好的熱電材料必須具備強大的塞貝克效應，而且必須滿足兩個難以調和的重要需求，」 Ernst Bauer教授指出。「一方面，它應儘可能導電；另一方面，它傳輸的熱量應儘可能少。這是一個挑戰，因為電導率和導熱係數通常密切關聯（圖2）。」K3IEETC-電子工程專輯

這種新型材料具有立方體形狀的規則晶體結構。兩個鐵原子之間的距離始終相同，其它類型的原子也是如此。因此，整個晶體結構是完全規則的。但是，當把薄薄的一層鐵結合到矽襯底上時，結構卻發生了根本變化，原子以完全無規則的分布方式組合在以空間為中心的結構上。這種分布改變了原子的電子結構，從而決定了電子在晶體格柵內移動的路徑。產生的電荷以特定方式移動，從而獲得非常低的電阻值。穿過材料的電荷部分被稱為韋爾費米子（Weyl Fermions）。晶體結構的不規則性抑制了格柵的振動。導熱係數比較低，因此可以獲得較好的熱電能轉換效率。K3IEETC-電子工程專輯

圖2：整個複合材料（層、界面和基底）的溫度相關塞貝克係數（a）和電阻率（b），以及Fe2V0.8W0.2Al的薄膜值。溫度相關的功率因數（c）和近似熱電品質因數（d）。（來源：Nature）K3IEETC-電子工程專輯

對新型材料Fe2V0.8W0.2Al的電阻率、導熱係數和塞貝克效應的測量表明，沉積在矽襯底上的薄膜熱電品質因數非常高。用電子顯微鏡進行的實驗還發現了在Heusler薄膜和矽襯底之間有一個狹窄的擴散區。K3IEETC-電子工程專輯

能量收集為物聯網的發展和提高提供了顯著的優勢，它是開發先進的獨立與移動應用的關鍵組件，可以支持IoT社保長時間運行且無需給電池充電。通過減少維護和更換電池的需求，能量收集可以將智能感應應用於城市基礎設施內偏遠或難以到達的位置。這項新研究還為醫療領域的新型可穿戴設備解決方案鋪平了道路。由於降低了成本與能耗，研究和投入不斷增加，全球熱能收集市場將達到前所未有的規模。K3IEETC-電子工程專輯

(參考原文：New Thermoelectric Material Has Huge IoT Potential)K3IEETC-電子工程專輯

責編：Amy GuanK3IEETC-電子工程專輯

本文為《電子工程專輯》2020年2月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱 K3IEETC-電子工程專輯

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