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拓扑材料可以提高热电器件的效率三倍

发布时间:2018-05-14    点击量:24

麻省理工学院的研究人员正在寻找将热能转化为电能的方法,并在某些拓扑材料中找到了有效的可能性图片:Christine Daniloff / MIT

如果你可以在常规电力的情况下运行你的空调,但是在温暖的夏日,你可以在阳光下运行吗?随着热电技术的进步,这种可持续的解决方案可能有一天会成为现实。

热电器件由能够将温度差转化为电力的材料制成,而不需要任何移动部件 - 这是使热电体成为潜在吸引力电源的质量。这种现象是可逆的:如果电力施加到热电装置上,它会产生温差。今天,热电器件用于相对较低功率的应用,例如沿着输油管线供电小型传感器,在空间探测器上备用电池,以及冷却微型流体。

但是科学家们希望能够设计出更强大的热电装置来收集作为工业过程和内燃机副产品产生的热量,并将其他浪费的热量转化为电力。然而,热电器件的效率或者它们能够产生的能量的量目前是有限的。

现在,麻省理工学院的研究人员已经发现了一种使用具有独特电子属性的“拓扑”材料将效率提高三倍的方法。尽管过去的工作表明拓扑材料可以作为有效的热电系统,但是对于这种拓扑材料中的电子如何响应于温差而行进以产生热电效应的理解很少。

在本周发表在“美国国家科学院院刊”上的一篇论文中,麻省理工学院的研究人员确定了与现有设备相比,使某些拓扑材料成为潜在更有效的热电材料的基本特性。

“我们发现,我们可以推动这种纳米结构材料的界限,使得拓扑材料成为一种良好的热电材料,比传统的半导体如硅更好,”麻省理工学院机械工程系博士后Te-Huan Liu说。 “最终,这可能是一种清洁能源的方式来帮助我们利用热源来发电,这将减少我们释放的二氧化碳。”

刘先生是 em PNAS / em论文的第一作者,其中包括研究生周嘉伟,丁志伟和宋季琛;李明达,核科学与工程系助理教授;前研究生Bolin Liao,现在是加州大学圣巴巴拉分校的助理教授;比夫汉姆物理学副教授梁福;以及Soderberg教授和机械工程系主任陈刚。

一条自由的道路

当热电材料暴露于温度梯度时 - 例如,一端被加热,而另一端被冷却 - 该材料中的电子开始从热端流向冷端,从而产生电流。温差越大,产生的电流就越多,产生的功率就越多。可以产生的能量的量取决于给定材料中电子的特定传输性质。

科学家已经观察到,一些拓扑材料可以通过纳米结构制成高效的热电器件,科学家用这种技术通过在纳米尺度上对其特征进行图案化来合成材料。科学家们认为拓扑材料的热电优势来自纳米结构的热导率降低。但目前还不清楚这种提高效率如何与材料固有的拓扑性质相关联。

为了试图回答这个问题,刘和他的同事们研究了碲化锡的热电性能,碲化锡是一种已知是一种很好的热电材料的拓扑材料。碲化锡中的电子也显示出模仿一类被称为狄拉克(Dirac)材料的拓扑材料的独特性质。

该团队旨在通过模拟电子穿过材料的方式来了解纳米结构对碲化锡热电性能的影响。为了表征电子传输,科学家经常使用称为“平均自由路径”的测量,或者具有给定能量的电子在由材料中的各种物体或缺陷散射之前在材料内自由传播的平均距离。

纳米结构的材料类似于小晶体的拼凑物,每个都有边界,称为晶界,将​​一个晶体与另一个晶体分开。当电子遇到这些边界时,它们倾向于以各种方式散射。具有长平均自由程的电子会强烈地散射,就像子弹从壁上跳起,而具有较短平均自由程的电子则受到的影响要小得多。

在他们的模拟中,研究人员发现碲化锡的电子特性对其平均自由程有重大影响。他们绘制了碲化锡的电子能量范围与相关的平均自由程,并且发现得到的图表与大多数常规半导体的图表看起来非常不同。具体而言,对于碲化锡和可能的其他拓扑材料,结果表明具有较高能量的电子具有较短的平均自由程,而较低能量的电子通常具有较长的平均自由程。

然后团队通过基本总结具有不同能量和平均自由程的电子的热电贡献,研究了这些电子性质如何影响碲化锡的热电性能。事实证明,材料在温度梯度下导电或产生电子流动的能力在很大程度上取决于电子能量。

具体而言,他们发现较低能量的电子倾向于对产生电压差并因此产生电流产生负面影响。这些低能电子也具有较长的平均自由程,这意味着它们可以比高能电子更密集地被晶界分散。

缩小

在他们的模拟中更进一步,该团队使用碲化锡单个晶粒的大小来观察这是否对温度梯度下的电子流动有任何影响。他们发现,当他们将平均粒径缩小到10纳米左右时,它们的边界更接近,他们观察到高能电子的贡献增加。

也就是说,在较小的晶粒尺寸下,较高能量的电子比较低能量的电子对材料的导电贡献更大,因为它们具有较短的平均自由程并且不太可能散射到晶界。这导致可以产生更大的电压差。

更重要的是,研究人员发现,将碲化锡的平均晶粒尺寸减小到10纳米左右,其产生的电量是大晶粒所能产生的电量的三倍。

Liu表示,虽然结果是基于模拟的,但研究人员可以通过合成碲化锡和其他拓扑材料并使用纳米结构技术调整其晶粒尺寸来实现类似的性能。其他研究人员认为,缩小材料的晶粒尺寸可能会增加其热电性能,但刘说,他们大多假设理想尺寸会比10纳米大得多。

“在我们的模拟中,我们发现我们可以将拓扑材料的晶粒尺寸缩小得比以前想象的多,并且基于这个概念,我们可以提高其效率,”刘说。

碲化锡仅仅是许多尚未探索的拓扑材料的一个例子。如果研究人员能够确定这些材料的理想晶粒尺寸,刘说拓扑材料可能很快成为生产清洁能源的可行,更有效的替代方案。

“我认为拓扑材料对于热电材料非常有用,而且我们的结果表明这对未来的应用来说是非常有前途的材料,”刘说。

这项研究部分得到了美国能源部能源前沿研究中心固态太阳能热能转换中心的支持;和国防高级研究计划局(DARPA)。

出版物:Te-Huan Liu等人,“Electron mean-free-path filtering in Dirac material for improved thermoelectric performance,”PNAS,2018; doi:10.1073 / pnas.1715477115

来源:麻省理工学院新闻办公室的詹妮弗·楚

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