硅中嵌入锗晶体可有效阻止热传导

据德国莱布尼茨固态与材料研究所网站报道，近日，该所参与的一个德法联合研究小组通过在硅材料中嵌入锗纳米晶体，有效地阻止了热传导，使其可用于温差发电，开创了硅材料新的应用领域。最新一期的《自然·材料》杂志报道了这个或将带来突破的成果。

硅是微电子的关键材料。如果没有硅，我们今天可能既不会有便宜、紧凑的计算机，也不会有互联网。硅成功的很大一部分原因是其良好的导热性。芯片里通过电流流动产生的热量，可因此特性而很快被导走。导热性是一个与温度相关的材料常数，其大小用导热系数来衡量，单位是瓦/（米×开尔文），即W/（m·K）。硅的导热系数约为150 W/（m·K）（此值与温度有关，273 K时为163.3 W/（m·K））。

未来，热电技术或将像太阳能技术一样起革命性的作用，并且有益于气候的保护。因此，人们越来越关注合适的热电材料，进而将目光放到硅这一半导体领域里最受人青睐的材料。不过，这种导热性同时也是硅至今仍不能被用于温差发电的原因。为了将热转化为电，或者反过来将电转换成热，需要寻找的是导热系数低的材料。最有潜力的热电转换是将各种余热直接转化成电能。

此次，研究人员通过在硅材料中嵌入了锗纳米晶体，有效地阻止了热传导。该方法能够将硅的导热系数降至低于1W/（m·K）。比双层玻璃窗的值还要低。这一发现开辟了未来硅基材料在芯片现场冷却，即片上低温冷却这一方面应用的可能性。此外，将过程中产生的热现场转化为可用电能的小型电厂也因此变得触手可及。

该发现对于理解确定新的创新材料导热系数的基本物理机制非常重要。