「電子三明治」：使熱電轉換能力加倍！
背景
電廠、工廠、汽車、計算機甚至人體，在工作的過程中都會產生餘熱，又稱為「廢熱」，這一部分的熱量往往都會被浪費掉。然而，200多年前德國科學家 Thomas J. Seebeck 發現的一種物理現象：「熱電效應」，能夠廢熱轉化為電能，為廢熱的利用帶來了新希望。
（圖片來源：Ashutosh Tiwari/猶他大學）
「熱電效應」離不開特殊的「熱電材料」。然而，目前阻礙熱電材料大規模實際應用的關鍵瓶頸之一就是：熱電轉換效率太低。為此，筆者曾介紹過美國麻省理工學院（MIT）的物理學家們報告的一種提高熱電轉換效率的方法，即在強磁場作用下加熱拓撲半金屬。
（圖片來源：Chelsea Turner/MIT）
創新
今天，筆者要為大家介紹另外一種提升熱電轉化效率的新方案。
近日，日本北海道大學的科研人員以及他們在日本和台灣的同事們，通過將擴散電子的運動空間顯著變窄，改善了將廢熱轉化為可用電力的能力。他們將熱量轉化電力的能力提高了一倍多，減少了日常活動和工業中的熱量以及礦石燃料的浪費。相關論文發表於《自然通信（Nature Communications）》雜誌。
（圖片來源：北海道大學）
技術
科學家們一直在研究通過將電子限制在狹窄空間中的方法來改善熱電轉換效率。2007年，科學家們用兩層厚厚的絕緣層像三明治一般夾住超薄的導電層，構造出人工超晶格。這種方法產生的電壓更高，但並不會改善熱電轉換效率。研究人員預測，如果德布羅意波長更長的電子，意味著它們更容易擴展，被限制在狹窄的導電層中，熱電轉換效率將得以提升，但是目前為止尚未經過實驗證實。
北海道大學 Hiromichi Ohta 領導的科研團隊設計出一種超晶格，其中的電子擴散的範圍要比先前的實驗寬30%。這將帶來更高的電壓以及兩倍於先前方法的熱電轉化效率。
超晶格的概念圖：其中擴散電子被限制在狹窄的空間中，來改善熱電轉換效率。
（圖片來源：北海道大學）
價值
Hiromichi Ohta 表示：「這是朝著降低電廠、工廠、汽車、計算機甚至是人體浪費的熱量的目標，邁出的重要一步。」
關鍵字
熱電現象、熱電材料、超晶格
參考資料
【1】https://www.global.hokudai.ac.jp/blog/electron-sandwich-doubles-thermoelectric-performance/
【2】Yuqiao Zhang, Bin Feng, Hiroyuki Hayashi, Cheng-Ping Chang, Yu-Miin Sheu, Isao Tanaka, Yuichi Ikuhara, Hiromichi Ohta.Double thermoelectric power factor of a 2D electron system. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-04660-4
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