热电转换的一个很酷的进步

全世界使用的能源中有三分之二以上最终以“废热”的形式排出。麻省理工学院核科学与工程系(NSE)的科学家声称，在那堆被浪费的能量中，蕴藏着巨大且尚未开发的机会。根据最近一期《自然通讯》的报道，由NSE量子物质小组负责人李明达助理教授领导的MIT小组已经在热电发电领域取得了突破，该技术提供了一种直接方法来转换包括废热在内的热能，变成电力。

甲温度梯度，或差，内的诸如金属或半导体材料可以通过被称为塞贝克效应的现象，产生一个电压，其驱动电流。NSE研究科学家Fei Han解释说：“对于许多材料而言，热电效应太低而无法使用。” “我们的目标是找到转换效率足够高的材料，以使热电发电更加实用。”

热电能量转换效率是正比于材料的温度，电传导性，和一种叫做“热电动势”的平方; 它与热导率成反比。由于效率随温度上升，因此当今使用的大多数热电材料的工作温度范围为摄氏数百度。“但是在我们的生活中，我们周围的大多数事物都是在室温下进行的，” Han说。“这就是为什么我们试图发现在室温或低于室温下有效工作的新材料的原因。”

Li指出，在转换效率方面，“尽管效率与热电的平方成正比，但大多数注意力都集中在增加电导率和降低热导率上，而不是专注于热电。” 热能也称为塞贝克系数，定义为电压除以材料上的温度差。李说：“当火电上升时，电导率下降，这可能会导致棘手的平衡。” 但是他的小组表明，一种新的机制可以同时优化电导率和热功率，从而有助于提高效率。

李的实验研究受到麻省理工学院物理学副教授梁复，他的前博士后布莱恩·斯金纳和前博士学位所发表的理论论文的指导。学生Vladsyslav Kozii，他们全都为《自然通讯》论文做出了贡献。在早期的工作中，傅和他的同事认为，强磁场会增强所谓的拓扑Weyl半金属的热电效应。

这种材料具有金属和半导体的特性，但也具有特殊的功能。拓扑Weyl半金属具有奇异点，例如在头皮顶部发现的发螺纹(或牛鞭)，这些奇异的点赋予其不寻常的电子特性。其他特性来自晶体结构本身的对称性。傅和他的同事们预测的热电收益将来自新颖的“热电量子霍尔效应”。

NSE博士解释说：“当磁场足够高时，会引起这种效应。” 学生Nina Andrejevic，“热电霍尔电导率已接近通用值，即使磁场发生变化，此后霍尔电导率的值也不会改变。” 她补充说，这种感应出的热电霍尔电导率将“是热电的主要贡献者，也是总功率因数的主要贡献者”。

Li和他的团队准备了一种拓扑Weyl半金属磷化钽(TaP)的样品，这些样品具有微调的特性，以检验Fu的假设。NSE研究生Thanh Nguyen评论说，合成这些TaP晶体是一项艰巨的任务，“涉及一些反复试验，因为它是一种新材料(仅自2015年以来才知道)，因此配方尚未完全优化。您可以自行修改钽和磷的相对含量，并调节烤箱温度，以及“烘烤”成分的时间，以达到所需的载流子密度水平;晶体尺寸也必须足够大以便于高精度测量。” 在该过程结束时，他们将生成的TaP晶体(切成细条)加热了一端，然后，

这项研究得出了几个重要但相关的结果：麻省理工学院的研究人员是第一个证明在Weyl半金属中确实可以引起热电量子霍尔效应的研究。此外，由于这种效果，他们获得了很高的热电价值。此外，他们的TaP晶体实现了创纪录的高“功率因数”(电导率和热功率平方的乘积)，这是热电转换效率的关键组成部分。