资讯丨“手风琴”分子“弹奏”出的热电材料

很多设备的使用过程中会产生大量的废热，这就造成了能源的浪费，科学家们发现热电材料能够实现热能和电能的相互转换，提高能源利用率。通过对硒化锡基础物理性能的研究，科学家们探索了其较高能量转换率的原因，为能源的可持续发展和热电材料的设计奠定了基础。

发动机、笔记本电脑和发电厂在工作过程中会产生很多废热。热电材料是一种能将电能和热能相互转换的功能材料，这样可以提高能源的利用率。美国能源部(DOE)橡树岭国家实验室（ORNL）的一个研究团队利用中子散射和计算机模拟研究了硒化锡的基础物理特性，这项新发现可能有助于能源可持续性利用的研究并且有助于热电材料的设计。

该文章的第一作者Olivier Delaire先生介绍说：“硒化锡这种重要的新型热电材料的热导率低，热电转换效率很高，我们首次对其原子振动进行了全面的测试，发现正是其不寻常的原子振动有助于避免热量泄露从而使热电转换效率达到最大化。”

这项研究由麻省理工为首的能源前沿研究中心（EFRC）主持并且得到了美国能源部科学办公室的赞助。该实验调用了能源部科学办公室位于ORNL的三项设备：散裂中子源、高通量同位素反应堆和橡树岭高性能计算设备（ORLCF）。根据塞贝克效应，当有持续的温差时，热电装置中会出现热电压和热电流，并且当提供外部电源时，热电装置能够将热量疏导出去起到制冷作用。

为了能保持可利用的温度梯度，热电材料需要具有良好的导电性和差的导热性。2014年，西北大学的研究者们发现了一种廉价但是热电转换效率极高的热电材料：硒化锡。

ORNL的研究者们观察到了辅助热量流动的原子振动，称之为声子，并且他们尝试从电子结构和化学的角度来理解声子的来源。Delaire先生说：“我们发现这种特殊的声子模式是不稳定的，即它处于“冷冻状态”，如果将材料降温，它会从无畸变区转移到畸变区，如果加热材料，畸变就消失。这就是这种特殊声子模式“冷冻状态”背后的原子机制。”

该研究团队得到的成果有助于控制诸多能源技术中的热量传递，包括热障涂层、核燃料和大功率电力电子设备。

通过研究晶格的原子动力学，我们可以得知硒化锡转换高效的原因：在简谐波系统中，原子振动的波可以自由传播，这样一来，许多带有大量热量的波就可以在材料中传播，不会相互影响。然而在非简谐波系统中则不然，原子振动波之间会出现粘性摩擦。这种摩擦会影响热量的传播，就像汽车减震器中的减震装置所起的作用一样。在测试温度下，硒化锡有很强的非简谐性，声子波的传播受到强烈阻碍，热量无法传播，因此材料中的温度梯度能够很好地保持下来。

Delaire说：“通过计算机模拟我们发现结合键的不稳定性能够产生明显的非简谐振动。”在低于相变温度810K（大约540℃或1000℉）的温度下，电子轨道发生重组，晶格呈现出类似手风琴的结构。声子波会受到这种不稳定性的阻尼影响，因此，硒化锡就具有优越的热电性能。

更加全面的了解材料特性的基本原理有助于设计生产新材料，Delaire说：“在美国每年消耗的所有能源中，有60%都以废热的形式浪费掉了，如果能够重新利用这些废热，即使是很小的一部分，也会产生巨大的影响。”

热电材料能够提供可持续性的能量。EFRC、ORBNL（橡树岭和布鲁克海文国家实验室）、波士顿大学和休斯敦大学已经证实可以将热电材料放置于太阳能板的下面，这样就能利用温差产生电力，非常经济。

很多情况下我们需要光伏板来产生所需的电力，但是通常花费很高，Delaire说：“有了热电材料，只要存在温度差，用更少的材料就能产生同等的电力，因为在热电装置中，能量的装换完全有材料本身通过温度梯度来完成，不需要其他的部件，所以说研发并优化材料本身才是研究的关键。”

为了实现更广泛的应用，热电材料的效率仍然有待提高，不过目前的研究成果，比如说对硒化锡动力学的深入了解已经在这个方向生取得了很大的进步。比如说NASA和能源部研发的超大容量电池已经取得了巨大的成功。

Delaire说：“NASA（美国国家航天航空局）的“旅行者号”宇宙飞船在发射30年后任然在使用热电材料提供动力，可见这项技术是多么的可靠。”该研究成果已经发表在 Nature Physics 上。（来源：材料人网）