拓扑材料将热电设备的效率提高了三倍

麻省理工学院的研究人员正在寻找将热量转化为电能的方法，他们发现了某些拓扑材料的有效可能性。图像：克里斯汀·丹尼尔洛夫（Christine Daniloff）

如果您不使用传统电力而是在炎热的夏天里依靠太阳的热量来运转空调，该怎么办？随着热电技术的进步，这一可持续解决方案可能有一天成为现实。

热电设备由可以将温差转换为电能的材料制成，而无需任何活动部件-这种品质使热电设备成为潜在的有吸引力的电力来源。这种现象是可逆的：如果将电施加到热电设备上，则会产生温差。如今，热电设备用于相对低功率的应用，例如为石油管道上的小型传感器供电，在空间探针上备份电池以及冷却微型冰箱。

但是科学家们希望设计出功能更强大的热电设备，以收集热量（这些热量是工业过程和内燃机的副产品产生的），并将原本浪费掉的热量转化为电能。但是，热电装置的效率或它们能够产生的能量的数量目前受到限制。

现在，麻省理工学院的研究人员已经发现了一种使用具有独特电子特性的“拓扑”材料将效率提高三倍的方法。尽管过去的工作表明拓扑材料可以用作有效的热电系统，但对于这种拓扑材料中的电子将如何响应温度差而行进以产生热电效应的了解很少。

在本周发表于《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员确定了与某些现有设备相比，使某些拓扑材料成为潜在更有效的热电材料的潜在特性。

麻省理工学院机械工程系的博士后Te-Huan Liu表示：“我们发现我们可以通过使这种拓扑结构材料成为一种良好的热电材料的方式来突破这种纳米结构材料的界限，而这种技术比硅等传统半导体更是如此。”“最终，这可能是一种清洁能源的方法，可以帮助我们使用热源发电，这将减少我们释放的二氧化碳。”

Liu是PNAS论文的第一作者，其中包括研究生Jiajia Zhou，Dingweiwei和Song Qichen。李明达，核科学与工程系助理教授；廖博士曾任研究生，现为加州大学圣塔芭芭拉分校助理教授； Biedenharn物理学副教授梁复；和Soderberg教授兼机械工程系系主任Chen Gang。

自由行进的道路

当热电材料暴露于温度梯度时（例如，一端被加热而另一端被冷却），该材料中的电子开始从热端流向冷端，从而产生电流。温差越大，产生的电流就越大，并且产生的功率就越大。可以产生的能量取决于给定材料中电子的特定传输性质。

科学家观察到，可以通过纳米结构将某些拓扑材料制成有效的热电设备，这是科学家用来通过在纳米尺度上图案化其特征来合成材料的技术。科学家认为，拓扑材料的热电优势来自其纳米结构中导热系数的降低。但是尚不清楚这种效率的提高如何与材料的固有拓扑特性相联系。

为了尝试回答这个问题，Liu和他的同事研究了碲化锡的热电性能，碲化锡是一种拓扑材料，已知是一种良好的热电材料。碲化锡中的电子还表现出独特的特性，从而模仿了一类称为Dirac材料的拓扑材料。

该小组旨在通过模拟电子在材料中的传播方式，来了解纳米结构对碲化锡热电性能的影响。为了表征电子传输，科学家经常使用一种称为“平均自由程”的测量方法，即具有给定能量的电子在被材料中的各种物体或缺陷散射之前在材料中自由传播的平均距离。

纳米结构材料类似于微小晶体的拼凑而成，每个晶体都有边界（称为晶界），将一种晶体与另一种晶体分隔开。当电子遇到这些边界时，它们倾向于以各种方式散射。平均自由程长的电子会散射得很厉害，就像子弹在墙壁上弹跳一样，而平均自由程更短的电子受到的影响要小得多。

研究人员在模拟中发现，碲化锡的电子特性对其平均自由程有重大影响。他们绘制了碲化锡的电子能量范围与相关的平均自由程的关系，发现结果图看起来与大多数常规半导体的图非常不同。具体而言，对于碲化锡和可能的其他拓扑材料，结果表明，具有较高能量的电子具有较短的平均自由程，而具有较低能量的电子通常具有较长的平均自由程。

然后，研究小组通过本质上总结了来自具有不同能量和平均自由程的电子对热电的贡献，研究了这些电子性质如何影响碲化锡的热电性能。事实证明，材料在温度梯度下的导电能力或产生电子流的能力在很大程度上取决于电子能量。

具体而言，他们发现低能电子倾向于对电压差的产生产生负面影响，因此对电流产生负面影响。这些低能电子还具有更长的平均自由程，这意味着它们可以比高能电子更密集地被晶界散射。

缩小尺寸

在模拟中更进一步，研究小组研究了碲化锡的单晶晶粒的大小，以了解这对温度梯度下的电子流动是否有任何影响。他们发现，当他们将平均晶粒的直径减小到大约10纳米，使它们的边界更接近时，他们发现高能电子的贡献增加了。

也就是说，晶粒较小时，高能电子比低能电子对材料的导电贡献更大，因为它们的平均自由程更短，并且更不可能散布在晶界上。这导致可以产生更大的电压差。

此外，研究人员发现，将碲化锡的平均晶粒尺寸减小到10纳米左右，所产生的电量是大晶粒材料产生的电量的三倍。

刘说，虽然结果是基于模拟的，但研究人员可以通过合成碲化锡和其他拓扑材料并使用纳米结构技术调整其晶粒大小来达到类似的性能。其他研究人员认为，缩小材料的晶粒尺寸可能会提高其热电性能，但刘说，他们大多认为理想的尺寸将大大超过10纳米。

Liu说：“在模拟中，我们发现可以将拓扑材料的晶粒尺寸缩小得比以前想象的要大得多，并且基于此概念，我们可以提高其效率。”

碲化锡只是许多尚未探索的拓扑材料的例子。如果研究人员能够确定每种材料的理想晶粒尺寸，Liu说拓扑材料可能很快将成为生产清洁能源的可行，更有效的替代方法。

Liu说：“我认为拓扑材料非常适合热电材料，我们的结果表明，这是未来应用非常有前途的材料。”

这项研究得到了美国能源部能源前沿研究中心固态太阳能热能转换中心的部分支持；以及国防高级研究计划局（DARPA）。

出版物：Liu Te-Huan Liu等人，“狄拉克材料中的电子平均路径滤波，以改善热电性能”，PNAS，2018年；土井：10.1073 / pnas.1715477115