很多設(shè)備的使用過程中會產(chǎn)生大量的廢熱，這就造成了能源的浪費，科學家們發(fā)現(xiàn)熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能的相互轉(zhuǎn)換，提高能源利用率。通過對硒化錫基礎(chǔ)物理性能的研究，科學家們探索了其較高能量轉(zhuǎn)換率的原因，為能源的可持續(xù)發(fā)展和熱電材料的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

發(fā)動機、筆記本電腦和發(fā)電廠在工作過程中會產(chǎn)生很多廢熱。熱電材料是一種能將電能和熱能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，這樣可以提高能源的利用率。美國能源部(DOE)橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的一個研究團隊利用中子散射和計算機模擬研究了硒化錫的基礎(chǔ)物理特性，這項新發(fā)現(xiàn)可能有助于能源可持續(xù)性利用的研究并且有助于熱電材料的設(shè)計。

該文章的第一作者Olivier Delaire先生介紹說：“硒化錫這種重要的新型熱電材料的熱導率低，熱電轉(zhuǎn)換效率很高，我們首次對其原子振動進行了全面的測試，發(fā)現(xiàn)正是其不尋常的原子振動有助于避免熱量泄露從而使熱電轉(zhuǎn)換效率達到最大化。”

這項研究由麻省理工為首的能源前沿研究中心（EFRC）主持并且得到了美國能源部科學辦公室的贊助。該實驗調(diào)用了能源部科學辦公室位于ORNL的三項設(shè)備：散裂中子源、高通量同位素反應(yīng)堆和橡樹嶺高性能計算設(shè)備（ORLCF）。根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當有持續(xù)的溫差時，熱電裝置中會出現(xiàn)熱電壓和熱電流，并且當提供外部電源時，熱電裝置能夠?qū)崃渴鑼С鋈テ鸬街评渥饔谩?/p>

為了能保持可利用的溫度梯度，熱電材料需要具有良好的導電性和差的導熱性。2014年，西北大學的研究者們發(fā)現(xiàn)了一種廉價但是熱電轉(zhuǎn)換效率極高的熱電材料：硒化錫。

ORNL的研究者們觀察到了輔助熱量流動的原子振動，稱之為聲子，并且他們嘗試從電子結(jié)構(gòu)和化學的角度來理解聲子的來源。Delaire先生說：“我們發(fā)現(xiàn)這種特殊的聲子模式是不穩(wěn)定的，即它處于“冷凍狀態(tài)”，如果將材料降溫，它會從無畸變區(qū)轉(zhuǎn)移到畸變區(qū)，如果加熱材料，畸變就消失。這就是這種特殊聲子模式“冷凍狀態(tài)”背后的原子機制?！?/p>

該研究團隊得到的成果有助于控制諸多能源技術(shù)中的熱量傳遞，包括熱障涂層、核燃料和大功率電力電子設(shè)備。

通過研究晶格的原子動力學，我們可以得知硒化錫轉(zhuǎn)換高效的原因：在簡諧波系統(tǒng)中，原子振動的波可以自由傳播，這樣一來，許多帶有大量熱量的波就可以在材料中傳播，不會相互影響。然而在非簡諧波系統(tǒng)中則不然，原子振動波之間會出現(xiàn)粘性摩擦。這種摩擦會影響熱量的傳播，就像汽車減震器中的減震裝置所起的作用一樣。在測試溫度下，硒化錫有很強的非簡諧性，聲子波的傳播受到強烈阻礙，熱量無法傳播，因此材料中的溫度梯度能夠很好地保持下來。

Delaire說：“通過計算機模擬我們發(fā)現(xiàn)結(jié)合鍵的不穩(wěn)定性能夠產(chǎn)生明顯的非簡諧振動?！痹诘陀谙嘧儨囟?10K（大約540℃或1000℉）的溫度下，電子軌道發(fā)生重組，晶格呈現(xiàn)出類似手風琴的結(jié)構(gòu)。聲子波會受到這種不穩(wěn)定性的阻尼影響，因此，硒化錫就具有優(yōu)越的熱電性能。

更加全面的了解材料特性的基本原理有助于設(shè)計生產(chǎn)新材料，Delaire說：“在美國每年消耗的所有能源中，有60%都以廢熱的形式浪費掉了，如果能夠重新利用這些廢熱，即使是很小的一部分，也會產(chǎn)生巨大的影響?！?/p>

熱電材料能夠提供可持續(xù)性的能量。EFRC、ORBNL（橡樹嶺和布魯克海文國家實驗室）、波士頓大學和休斯敦大學已經(jīng)證實可以將熱電材料放置于太陽能板的下面，這樣就能利用溫差產(chǎn)生電力，非常經(jīng)濟。

很多情況下我們需要光伏板來產(chǎn)生所需的電力，但是通?；ㄙM很高，Delaire說：“有了熱電材料，只要存在溫度差，用更少的材料就能產(chǎn)生同等的電力，因為在熱電裝置中，能量的裝換完全有材料本身通過溫度梯度來完成，不需要其他的部件，所以說研發(fā)并優(yōu)化材料本身才是研究的關(guān)鍵?！?/p>

為了實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，熱電材料的效率仍然有待提高，不過目前的研究成果，比如說對硒化錫動力學的深入了解已經(jīng)在這個方向生取得了很大的進步。比如說NASA和能源部研發(fā)的超大容量電池已經(jīng)取得了巨大的成功。

Delaire說：“NASA（美國國家航天航空局）的“旅行者號”宇宙飛船在發(fā)射30年后任然在使用熱電材料提供動力，可見這項技術(shù)是多么的可靠?！痹撗芯砍晒呀?jīng)發(fā)表在 Nature Physics 上。（來源：材料人網(wǎng)）