硅中嵌入鍺晶體可有效阻止熱傳導

據德國萊布尼茨固態與材料研究所網站報道，近日，該所參與的一個德法聯合研究小組通過在硅材料中嵌入鍺納米晶體，有效地阻止了熱傳導，使其可用于溫差發電，開創了硅材料新的應用領域。最新一期的《自然·材料》雜志報道了這個或將帶來突破的成果。

硅是微電子的關鍵材料。如果沒有硅，我們今天可能既不會有便宜、緊湊的計算機，也不會有互聯網。硅成功的很大一部分原因是其良好的導熱性。芯片里通過電流流動產生的熱量，可因此特性而很快被導走。導熱性是一個與溫度相關的材料常數，其大小用導熱系數來衡量，單位是瓦/（米×開爾文），即W/（m·K）。硅的導熱系數約為150 W/（m·K）（此值與溫度有關，273 K時為163.3 W/（m·K））。

未來，熱電技術或將像太陽能技術一樣起革命性的作用，并且有益于氣候的保護。因此，人們越來越關注合適的熱電材料，進而將目光放到硅這一半導體領域里最受人青睞的材料。不過，這種導熱性同時也是硅至今仍不能被用于溫差發電的原因。為了將熱轉化為電，或者反過來將電轉換成熱，需要尋找的是導熱系數低的材料。最有潛力的熱電轉換是將各種余熱直接轉化成電能。

此次，研究人員通過在硅材料中嵌入了鍺納米晶體，有效地阻止了熱傳導。該方法能夠將硅的導熱系數降至低于1W/（m·K）。比雙層玻璃窗的值還要低。這一發現開辟了未來硅基材料在芯片現場冷卻，即片上低溫冷卻這一方面應用的可能性。此外，將過程中產生的熱現場轉化為可用電能的小型電廠也因此變得觸手可及。

該發現對于理解確定新的創新材料導熱系數的基本物理機制非常重要。