在強磁場作用下,新材料顯著提升熱電轉化效率!

2020-12-03 環球創新智慧

導讀

近日，美國麻省理工學院的物理學家們找出了一條可以顯著提升熱電勢的途徑。在相關論文中，他們報告了一種理論方法，通過這種方法建模的材料效率將提升五倍，產生的能量有望變為兩倍，這是現今最佳的熱電材料。

背景

在環境汙染與能源危機日益加劇的背景下，熱電材料為我們節約能源帶來了新希望。說起熱電材料，必須先介紹一種物理現象，也就是「熱電效應」。熱電效應並不是什麼新生事物，約兩百多年前，德國科學家 Thomas J. Seebeck 就發現了這種效應。

簡單說，它是指在特殊的熱電材料中，由於溫度差異產生電壓的過程。當材料一端較熱而另一端較冷時，材料中的電子（空穴）就會隨著溫度梯度從高溫區往低溫區移動，從而產生出電流或電荷堆積的現象。

（圖片來源：維基百科）

熱電材料的用途非常廣泛，讓我們大膽想像一下未來：熱電材料製成的自供電的可穿戴設備，將利用人體熱量發電；熱電材料製成的烹飪鍋可以採集炒菜時產生的廢熱，為智慧型手機充電；熱電材料還可以採集電動汽車發動機的熱量，為電動汽車提供一部分電力；還有，熱電材料也可以應用於飛機，利用機艙內外的溫差，為飛機提供更多的電力；同樣，電廠也可以利用熱電材料，回收利用部分的廢熱用於發電。

圖片來源：Ashutosh Tiwari/猶他大學

科學家們正在不斷研究並改善熱電材料，有朝一日這些想像中的方案有望全部變為現實。然而，目前阻礙熱電材料大規模應用的關鍵因素之一就是，熱量轉化為電力的效率太低。

創新

近日，美國麻省理工學院（MIT）的物理學家們找出了一條可以顯著提升熱電勢的途徑。在一篇發表於《科學進展（Science Advances）》雜誌的論文中，他們報告了一種理論方法，通過這種方法建模的材料效率將提升五倍，產生的能量有望變為兩倍，它是現今最佳的熱電材料。

（圖片來源：Chelsea Turner/MIT）

論文領導作者是 MIT 電子研究實驗室的博士後 Brian Skinner，論文合著者還包括 MIT 物理系副教授 Liang Fu。團隊已經為他們的新型熱電方案申請了專利，並與普林斯頓大學的研究人員展開合作，對於這一理論進行實驗測試。

技術

熱電材料將熱量轉化電力的能力，是基於材料在溫差條件下的電子行為。當熱電材料一側受熱時，會激發電子，使其離開熱的一側並在冷的一側聚集。結果，由於電子的聚集，就會產生可測量的電壓。

目前開發出的熱電材料產生的熱電能很微小，部分原因是電子較難被熱量激發。在大多數材料中，電子存在於特定的能帶或者能量範圍。每個能帶被空隙隔開，所謂的空隙就是一種小的能量範圍，在這個範圍中，電子無法存在。一直以來，賦予電子足夠大的能量，使其跨過能帶並穿越材料，都是非常具有挑戰性的。

Skinner 和 Fu 決定研究「拓撲半金屬」類型材料的熱電勢。相比大部分的其他固體材料，例如半導體和絕緣體，拓撲半金屬的獨特之處在於它具有零帶隙。在這種能量結構下，電子在加熱後很容易跳躍到更高的能級。

科學家們認為，這種在實驗室中大量合成的較新型的材料：拓撲半金屬，將不會產生大量熱電能。當材料的一側受熱時，電子被激發，然後在另外一端積聚。但是，隨著這些帶負電的電子跳躍到更高的能級，它們會留下所謂的「空穴」，這種帶正電荷的粒子也會在材料冷的一側積聚，抵消掉電子產生的效果，最終產生的電能非常少。

然而，在一項看似沒有關聯的研究中，Skinner 注意到，強磁場作用下的半導體會出現一種奇妙的現象：磁場會影響電子的移動，讓它們的軌跡變彎。然而，Skinner 和 Fu 想知道：磁場會對拓撲半金屬產生什麼影響？

參考文獻後，他們發現普林斯頓大學的團隊於2013年嘗試完全表徵一種稱為「硒化錫鉛」（ lead tin selenide）拓撲材料，並測量了它的熱電特性。在他們對於這種材料眾多觀察中，在35特斯拉的強磁場作用下（作為對比，大部分的磁共振成像機器的工作磁場強度是2特斯拉到3特斯拉），熱電發電量會增加。

Skinner 和 Fu 採用普林斯頓大學研究的這種材料的特性，在一系列溫度和磁場條件下，對材料的熱電性能進行理論建模。

Skinner 表示：「我們最終指出，在非常強的磁場作用下，產生了一種有趣的現象，在那裡你可以讓電子和空穴朝著相反方向移動。電子朝著冷的一側，而空穴朝著熱的一側。它們在一起工作，原則上，你只要使磁場更強，就會讓同樣的材料產生越來越大的電壓。」

在他們的理論模型中，研究小組計算了硒化錫鉛的優值係數（ZT），這個數值表示材料離通過熱能產生電能的理論極限有多近。迄今為止，所報導的大部分材料的ZT都在2左右。Skinner 和 Fu 發現，在大約30特斯拉的強磁場作用下， 硒化錫鉛的ZT可以達到10左右，效率是之前性能最佳的熱電材料的五倍。

他們計算得出，如果在30特斯拉的磁場作用下，將ZT等於10的材料從室溫加熱至500開爾文，會將18%的熱量轉化為電力；相比於ZT等於2的材料，只能將8%的熱量轉化電力。

小組承認，為了達到如此高的效率，必須在非常強的磁場下加熱現有的拓撲半金屬，而世界上只有屈指可數的幾個設施能產生出這種強磁場。對於這些材料在電廠或者汽車中的實際應用來說，它們需要工作在1特斯拉到2特斯拉的磁場強度範圍內。

Fu 稱，如果拓撲半金屬極度純淨，這應該是可行的。也就是說，如果材料中存在很少的雜質，就會阻擋電子流動。

Fu 說：「製造出非常純淨的材料極具挑戰性，但是人們已經為這些材料的高品質生長付出了許多努力。」

他補充道，他們集中研究的材料硒化錫鉛，並不是科學家能合成出的最純淨的拓撲半金屬。換句話說，其他更純淨的材料將能在更小的磁場下，產生同樣多的熱電能。

Fu 表示：「我們認為這種材料是一種好的熱電材料，但是還應該有更好的。一種方案就是採用我們現有的最佳拓撲半金屬，施加3特斯拉的磁場。這樣可能無法將效率提升一半，但也許是20%到50%，這已經是很大的進步。」

價值

這項研究將為熱電材料的深入研究以及大規模應用奠定了基礎，讓我們能夠更加有效地將廢熱轉化電能，這樣做不僅節能環保，而且應用範圍非常廣泛。

關鍵字

溫差發電、材料、磁場、熱量

參考資料

【1】http://news.mit.edu/2018/materials-heated-magnetic-fields-thermoelectrics-0525#press-inquiry-section

【2】Brian Skinner, Liang Fu. Large, nonsaturating thermopower in a quantizing magnetic field. Science Advances, 2018; 4 (5): eaat2621 DOI: 10.1126/sciadv.aat2621

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