拓撲材料竟然能提高熱電轉換效率，MIT 團隊發布最新研究成果

想像一下，在炎熱的夏天，你躺在空調房裡，不過與以往不同的是給空調供電的是太陽熱能而非常規電力。隨著熱電科技的進步，這種可持續的供電方案有朝一日會變為現實。

熱電裝置使用的是溫差材料，它能將溫差轉化為電能而無需任何機械運動——這是熱電最吸引人的特點。熱電效應是可逆的：如果給熱電裝置供電，它就會產生溫差。目前，熱電裝置在低功率設備上有所應用，比如為石油管道的小型感測器供電、作為空間探測器的後備電源、以及迷你冰箱。

但科學家希望設計出功率更大的裝置來收集工業過程和內燃機產生的廢熱，並將這些廢熱轉化為電能。然而，目前熱電裝置的效率，或者它們所產生的能量是非常有限的。

最近，MIT 的研究人員用一種具有獨特電特性的「拓撲」材料（「topological」 materials），可以將熱電裝置的效率提高三倍。雖然過去已經有研究工作表明拓撲材料可以應用於高效的熱電統，但當時研究人員還不清楚在拓撲材料中電子如何響應溫差併產生熱電效應。

「我們發現我們能夠以某種方式延伸納米結構材料的邊界，進而使拓撲材料成為好的熱電材料，比硅等半導體性能更優異，」MIT 機械工程系博後 Te-Huan Liu 介紹說。「最終，這種清潔能源將幫助我們利用熱源產生電力，並減少碳排放量。」

目前，該研究由美國能源部固態太陽熱能轉換中心和美國國防高級研究計劃局（DARPA）資助。

自由程

當熱電材料置於溫度梯度中時，比如一頭熱一頭冷，材料中的電子就開始從熱端流向冷端，從而產生電流。溫差越大，電流越強，產生的電能就越多。對於給定材料，產生的能量大小取決於材料的電子傳輸特性。

科學家觀察到，通過納米架構，一些拓撲材料可以製成高效熱電裝置。科學家可以用這種技術在納米尺度上合成特定性能的材料。科學家曾認為，拓撲材料的熱電優勢在納米結構的低熱導率。但熱電效率得到提高如何與材料固有的拓撲性質聯繫在一起，這點目前還不清楚。

為了解答這個問題，劉博士和同事研究了碲化錫的熱電性能。拓撲材料碲化錫是是一種公認的好的熱電材料。碲化錫材料內的電子還展現出另一種獨特特性，這點類似於狄拉克（Dirac）材料的電子特性。

團隊想通過模擬電子穿過材料的方式，了解到納米架構對碲化錫的熱電特性有何影響。為了正確表徵電子傳輸，科學家通常用「平均自由程」（mean free path）來測量，即給定能量的電子被散射之前在材料中的平均前進距離。

納米結構材料類似於微小晶體的組合，每個晶體都有邊界，稱為晶界。晶界將晶體相互分開。平均自由程長的電子散射較強烈，就如同子彈射中牆體後反彈一樣。而平均自由程短的電子受影響較小。

在模擬中，研究人員發現碲化錫的電子特性對它們的平均自由程有顯著影響。他們繪製了碲化錫材料內電子的平均自由程隨能量變化的關係曲線，發現得到的圖像與大多數傳統半導體圖像有很大差別。具體而言，對於碲化錫等拓撲材料，結果表明高能量平均自由程較短，低能量電子平均自由程較長。

隨後，研究團隊通過總結不同能量和平均自由程的電子堆熱電效應的貢獻，分析這些電子特性如何影響碲化錫的熱電性能。結果表明，存在溫度梯度時，材料的導電性，或者說產生電流的能力很大程度上取決於電子能量。

特別是，他們發現低能電子對產生電壓差具有負面作用，因此也會影響到電流。這些低能電子有較高的平均自由程，意味著它們相比於高能電子，晶界散射作用更強烈。

減小尺寸

隨著模擬進一步進行，團隊將碲化錫晶體的尺寸考慮進去，看單晶粒的大小是否對溫度梯度下的電流有影響。研究人員發現，當把晶粒的平均尺寸降低到 10 納米以下時，晶體邊界更緊密，高能電子的貢獻增加。

也就是說，晶粒尺寸越小，高能電子對材料的導電性貢獻越大，他們的平均自由程也越短，就越不容易與晶界發生散射。結果就能產生更大的電壓。

而且，研究人員發現，把碲化錫晶粒的平均尺寸降到 10 納米左右時，材料產生的電力是大晶粒的三倍。

劉博士說，雖然結果是基於模擬實驗，但研究人員通過合成碲化錫等拓撲材料，並利用納米技術調整晶粒尺寸，可以達到同樣的熱電性能。有研究人員提出縮小材料晶粒的尺寸可能會提升其熱電性能。但劉博士說很多人假設的最佳尺寸要比 10 納米大得多。

「在模擬中，我們發現拓撲材料晶粒可以被縮小到比我們先前認為的要小得多的尺寸，正是基於此，我們才能提高其效率，」劉博士介紹說。

碲化錫只是眾多拓撲材料的一種，還有很多需要探索。如果研究人員能得出每種材料的最佳晶粒尺寸，拓撲材料很快會成為清潔能源的有效替代方案。

「我認為拓撲材料是良好的熱電材料，而我們的結果也表明它是一種很有應用希望的材料，」劉博士說。

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