有發現稱，拓撲半金屬材料在強磁場中可以將熱電轉換效率提升5倍

來自專欄 DeepTech深科技

試想一下，如果汽車引擎的廢熱能有很大一部分轉換為電能用來推進汽車、房屋散發的廢熱可以用來發電，那麼這將是能源效率的一大飛躍，而實現這個飛躍，必須依靠能將熱能轉化為電能的熱電材料。

60 年前，科學家就開始研究各種材料將熱能轉化為電能的效率。然而，直到今天，大多數材料的熱電轉換效率遠遠不能滿足大規模應用的需求。如今，麻省理工學院的科學家在《科學·前沿》（Science Advances）上發文稱：他們從理論上設計了一種新方法，這種方法的熱電轉換效率可達現有最好熱電材料的 5 倍，最終的能量輸出能力是之前的 2 倍。

文章第一作者，麻省理工學院電子研究實驗室博士後 Brian Skinner 表示，如果該理論被驗證有效，那麼這將是熱電材料領域的一場革命。汽車引擎廢熱和電站廢熱都可以被高效回收用來發電。Skinner 論文的共同作者包括麻省理工學院薩拉·彼得漢物理學系副教授付亮。

發現現有理論的漏洞

材料的熱電能力，來源於其電子在不同溫度下的不同活動模式。當熱電材料的一邊被加熱時，電子速度加快，掙脫原子核的束縛，聚集到沒被加熱的一側，從而在材料兩端產生電壓。

目前的熱電材料轉換效率非常低下，部分原因在於，熱能轉化為電子動能的效率太低。大多數熱電材料中，電子位於特定的能帶，而量子力學決定，電子從所在能帶躍遷到相鄰能帶，並前往材料的冷側，非常困難。

Skinner 和付亮決定研究一種拓撲半金屬材料，而不是傳統的半導體和絕緣體材料。拓撲半金屬材料的優勢在於，相鄰能帶之間沒有壁壘，因此加熱時，電子很容易在能帶之間躍遷。

圖丨MIT物理學副教授付亮

科學家之前認為，拓撲半金屬材料的熱電轉換能力不會太出眾，因為儘管加熱時，電子很容易移動到冷側，但是電子離開後留下的空穴也很容易移動到冷側，帶負電的電子和帶正電的空穴相互抵消，總效果大打折扣。

然而，Skinner 在閱讀另一篇論文時發現，半導體處於強磁場之下時，會有奇特的事情發生——電子的移動路徑發生了扭曲。研究團隊由此想到：如果將拓撲半金屬材料至於強磁場下，那麼會發生什麼事情？

兩人進一步分析文獻後發現，普林斯頓大學的一個研究團隊在 2013 年將一種稱為硒化錫鉛的拓撲半金屬材料置於 35 特斯拉（核磁共振儀的磁場強度不過 2-3 特斯拉）的強磁場下，結果觀察到了熱電效率的提高。

兩人基於普林斯頓大學的研究，從理論上建立了不同溫度和磁場強度下材料的熱電效率模型。他們發現，在強磁場下，電子和空穴的移動方向剛好相反——電子去冷側，而空穴去熱側。因此，其他條件相同時，磁場越強，熱電材料兩端的電壓越高。

強磁場的威力

根據理論模型，研究團隊計算了硒化錫鉛的 ZT 值，該值反映了材料的熱電轉換能力。目前最好的熱電材料，ZT 值不過是 2，而硒化錫鉛在 30 特斯拉的磁場下，ZT 值達到 10，是現有最好熱電材料的 5 倍。如此好的結果，甚至使 2 人一時無法相信。

根據理論計算，對於 ZT 值等於 10 的材料，在 230 攝氏度下和 30 特斯拉的強磁場下，可以把 18% 的熱能轉化為電能，而 ZT 值為 2 的材料，轉換效率只有 8%。

研究團隊承認，30 特斯拉的強磁場對於大多數應用場合確實不太可能，1-2 特斯拉的磁場強度才可能被用於電站和汽車上。

不過，如果拓撲半金屬材料非常純凈，那麼對磁場強度的要求可能會下降。

特別地，他們研究的硒化錫鉛材料的純度並未達到人類能製造出的最高純度，因此該材料還有改進餘地。

具體來說，研究人員預期，目前世界上最好的拓撲半金屬材料可以在 3 特斯拉的磁場下，將熱電效率提高 20%-50%，這個程度的效率提升已然非常可觀。

麻省理工學院團隊和負責對理論進行實驗驗證的普林斯頓大學團隊，已經對該方法申請了專利。該研究的支持方包括美國能源部固態太陽熱能轉換研究中心和美國能源部基礎能源科學辦公室。