研究人員新設(shè)計(jì)材料可回收廢熱作為能源

S. KELLEY/NIST

美國(guó)每年生產(chǎn)的能源約有1000億美元被浪費(fèi)在熱能上?，F(xiàn)在，一項(xiàng)新的研究發(fā)現(xiàn)，熱電材料中內(nèi)置的微觀支柱可以極大地促進(jìn)熱量轉(zhuǎn)化為電力，從而回收原本會(huì)損失的能量。

“冷卻應(yīng)用目前是熱電器件的主要商業(yè)應(yīng)用，”該研究的共同高級(jí)作者、科羅拉多州博爾德市國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的半導(dǎo)體物理學(xué)家Kris Bertness說(shuō)，“這些器件的形狀因子和材料成分使其與計(jì)算機(jī)芯片中的冷卻熱點(diǎn)非常匹配。”

美國(guó)能源部估計(jì)，僅工業(yè)使用的能源就有20%至50%作為熱量損失。正因?yàn)槿绱?，熱電裝置也可能有助于“重新利用每年浪費(fèi)的大量能源，”Bertness說(shuō)，“想象這樣的影響真是令人興奮?！?/p>

從理論上講，如果熱電材料既是壞的熱導(dǎo)體又是好的電導(dǎo)體，那么它們的工作效果最好。壞的熱導(dǎo)體可以支持兩個(gè)區(qū)域之間的大溫差來(lái)驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)然，好的導(dǎo)電體可以幫助電流流動(dòng)。

然而，壞的熱導(dǎo)體通常是壞的電導(dǎo)體，反之亦然。熱電材料在商業(yè)設(shè)備中的效率僅為約3%至6%，這大大阻礙了它們作為傳統(tǒng)制冷和發(fā)電的潛在替代品的廣泛使用。

現(xiàn)在，科學(xué)家們首次解開(kāi)了一種材料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性之間的聯(lián)系，特別是一種覆蓋著比可見(jiàn)光波長(zhǎng)還薄的微小柱的薄膜。

在這項(xiàng)新的研究中，研究人員在硅片上沉積了數(shù)十萬(wàn)個(gè)50至130納米寬、770至5700納米高的氮化鎵柱。接下來(lái)，研究人員從晶片的下側(cè)去除了硅層，直到留下了大約200納米厚的薄片。

換言之，這種新材料被設(shè)計(jì)用來(lái)操縱原子振動(dòng)和熱量。在固體材料中，這些振動(dòng)以被稱為聲子的準(zhǔn)粒子的形式傳播。

納米柱和硅膜都含有聲子。然而，納米柱中的聲子是駐波，被柱壁固定，就像振動(dòng)的吉他弦固定在兩端一樣。科羅拉多大學(xué)博爾德分校的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)家和材料物理學(xué)家Mahmoud Hussein及其同事發(fā)現(xiàn)，這使得在硅膜中傳播的聲子很難流動(dòng)。

總之，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，他們的新設(shè)計(jì)使材料的整體熱導(dǎo)率降低了21%，而導(dǎo)電率保持不變。這種熱導(dǎo)率的降低可能使硅將熱轉(zhuǎn)化為電的效率加倍。我們正在為熱電材料引入一種新的設(shè)計(jì)原理，”Bertness說(shuō)。

然而，Bertness說(shuō)：“硅是一種很糟糕的熱電器件材料。” 她指出，熱導(dǎo)率的降低可能只會(huì)將硅的熱電轉(zhuǎn)換效率從0.16%提高到0.3%。

研究團(tuán)隊(duì)的模型確實(shí)表明，他們的新策略可以將熱導(dǎo)率降低99%以上。Bertness說(shuō)，這反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致大約18%的熱電轉(zhuǎn)換效率。

Bertness說(shuō)，科學(xué)家們注意到，他們看到的效果并不是因?yàn)榧{米柱像散熱器上的散熱片一樣起作用。樣品中柱之間的間隙太小，不允許空氣形成冷卻對(duì)流電池。

研究人員現(xiàn)在正在研究完全由硅制成的結(jié)構(gòu)，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并致力于探索未來(lái)硅以外材料的性能。此外，Bertness說(shuō)，他們正在研究其他可能取得更好結(jié)果的幾何形狀，例如具有蝕刻表面的膜。

Bertness說(shuō)，科學(xué)家們將首先瞄準(zhǔn)熱電裝置原型的冷卻應(yīng)用。盡管如此，他們還是希望利用余熱發(fā)電。

Bertness說(shuō)：“我們現(xiàn)在可以考慮許多其他用于熱電器件的材料，這些材料，比如我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中使用的硅，比傳統(tǒng)的熱電材料更豐富、更便宜?！?/p>

研究人員于5月10日在《高級(jí)材料》雜志上在線詳細(xì)介紹了他們的發(fā)現(xiàn)（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202209779）。