尋找最優熱電材料

徐偉

在現代生活中，能源的消耗量極大，大到煉鋼廠、汽車，小到計算機、手機，每天都在消耗著大量的電能、熱能，然而這些能量并未得到充分的利用。

我們可以算一筆能源賬：普通的計算機功率大概在200～300瓦之間，如果每天開機10個小時，就是2～3度電。如果有1億臺計算機，大概每天就要用掉2億～3億度電，由于廢熱浪費的電能大概占到20%，即4000萬～6000萬度的電能被白白浪費掉了。那么能否將這些廢熱利用起來，提高能源的利用效率呢？答案是：有！

在過去的幾十年里，科學家一直致力于發展一種材料，這種材料可以將熱能轉化為電能，它被稱為熱電材料。這種材料的奇特性能來源于它可以將熱量一份一份地打包給電能的攜帶者——電子或空穴載流子。在這種特殊材料中，電子或空穴載流子將熱量從高溫的一端攜帶到低溫的一端，熱量被傳遞的同時，電子或空穴的定向移動導致材料的兩端產生了電壓，這種電壓就為人們提供了新的能源。

發現熱電效應

1821年，德國物理學家塞貝克無意中發現，任何導體（金屬）一端被加熱，另一端未加熱，產生熱的梯度時都會產生電壓，這種現象被稱為塞貝克現象。物理學家利用這一效應來測量物體的溫度，這種利用熱電性能進行測溫的器件被稱為熱電偶。一般來說熱電偶產生的電壓很小，目前在醫療上常用的紅外線溫度計中采用的是便是串聯起來的熱電偶。

1834年，法國物理學家鉑爾帖發現了一個奇特的現象，將兩種不同的金屬構成閉合回路，在回路中接入直流電，兩個接頭之間有一定溫差，這種效應被稱為鉑爾貼效應。這種效應是與塞貝克效應相反的，物理學家很快利用這種效應，制成了能夠制冷的元器件，稱為熱電制冷器。

盡管人們很早就發現 了熱電效應（塞貝克-鉑爾貼效應），但真正對熱電材料集中研究是20世紀中葉開始的。為了滿足能源轉化的需求，必須選擇合適的熱電材料來實現溫差發電或電制冷效應。如同購買電腦時，人們考慮中央處理器（CPU）的頻率，內存的大小，硬盤大小等各項指標；在選擇熱電材料的時候，物理學家給出了幾個關鍵的指標，即材料的電導率、熱功率、熱導率以及工作溫度4個參數，它們組合在一起，形成了一個叫做ZT值的參數。這樣全世界的科學家都可以以此為標準評估自己做出來的熱電材料?？茖W家們設置了分階段的指標，ZT值小于1，大于1，大于2，大于20等。

尋找熱電材料的途徑一：合成

早期尋找熱電材料的主要途徑是比較原始的方法，即合成出成千上萬種材料，逐個測量其熱電性能，獲取最佳的配方。

合金型熱電材料

1952年，蘇聯著名物理學家阿布拉姆·約飛研究發現，材料的熱導率與組成材料的原子體積有關系，體積越大，熱導率越低。約飛建議將半導體材料的合金作為熱電材料，可以提高熱電效率。合金熱電材料并非不銹鋼這樣傳統的金屬合金，之所以稱為合金，是因為合金熱電材料也是由兩種不同物質混合而成，也采用傳統金屬合金的生產工藝；另外一個原因是，這類合金材料是將兩種或多種單質元素進行混合，形成了類似混合溶液一樣的固熔體。如果把一種物質的原子假設成水泥，另外一種物質的原子假設成沙子，這種合金化的工藝就類似于將水泥和沙子混合，形成混凝土。這種合金化熱電材料合成方法工藝簡單，熱電性能也高，一直傲居傳統熱電材料的榜首。

復雜結構熱電材料

自20世紀80年代起，隨著電子顯微鏡、同步輻射等先進實驗技術手段的發展，人們發現了一批特殊結構的熱電材料。這些熱電材料由于 ZT分值高，得到材料學家、物理學家的青睞。這類材料的發展起源于美國橡樹林國家實驗室的布萊恩·賽爾斯的設想：制造一種既像晶體一樣具有良好導電性能、又像玻璃一樣具有較差導熱性能的熱電材料。在這一思想的指引下，出現了多種具有復雜晶體結構的熱電材料。

尋找熱電材料的途徑二： 改裝

目前，還有更新的尋找熱電材料的途徑，主要是通過結合其他學科已有的方法，將原始的熱電材料進行改裝，從而獲得超高性能的熱電材料。

納米化熱電材料

20世紀90年代，納米材料時代剛剛開啟，科學家發現將熱電材料制備成納米顆粒、納米線、納米棒，或者做成千層餅一樣的超晶格結構，可以將熱電材料的ZT分值提高到2以上。美國科學家瓦爾和帕克通過分子束外延手段制備出多層膜結構的硅熱電材料，其熱導率可以大大降低。有人通過理論方法計算，估計其熱電性能分值可以比未經改造的硅要高出70多倍。

除了二維的結構外，科學家還發現，合成出的納米線、納米空心管、納米空心囊結構，也可以大大提高熱電材料的ZT分值。比如，我國科學家早在2004年便利用水熱合成方法，制備了碲化鉍的納米空心管，其性能可以提高20%之多。

美國哥倫比亞大學的研究人員則采用一種基于量子點的材料，可以只讓電子通過而不讓光子通過，確保熱量不會被光子從熱電材料的熱端帶到冷端，兩邊可以始終維持較大的電壓差，大幅提高熱電材料的分值。

復合模塊型熱電材料

2012年，美國西北大學的研究團隊提出了一種層級復合型的熱電材料。這種材料的基礎是碲化鉛，它本身就具有熱電轉換性質，研究人員又進行了一系列改造：先在其中加入鈉原子，提高其導電性，然后加入碲化鍶，降低其導熱性，還在材料上開了許多縫隙，進一步降低導熱性，而使電子仍能移動。這種復合型材料，具備了比納米結構熱電材料更高的ZT分值，達到2.2左右，可以將15%～20%的廢熱轉化為電能。而這種方法很有可能成為主流的材料合成手段，引領熱電材料合成新熱潮。

目前，許多微米級電機系統也采用了熱電材料制成的器件。市場上已經出現了微型溫差電池驅動的助聽器和手表，甚至還有可以植入人體內的微型熱電器件，它可以作為電源用于植入人體內的心臟起搏器。在航空航天領域，美國“好奇”號火星車的動力有一部分就是熱電器件提供的。而硅半導體探測器的冷卻模塊也采用了熱電器件，從而降低對液氮的消耗。

在過去的幾十年里科學家已經將熱電材料的性能提高了一個量級，在未來的若干年里，熱電材料的性能還能上一個臺階。屆時，利用煉鋼廠廢熱、汽車尾氣廢熱、手機、計算機電子產品的散熱發電、節約能源的夢想將會實現。