寻找最优热电材料

徐伟

在现代生活中，能源的消耗量极大，大到炼钢厂、汽车，小到计算机、手机，每天都在消耗着大量的电能、热能，然而这些能量并未得到充分的利用。

我们可以算一笔能源账：普通的计算机功率大概在200～300瓦之间，如果每天开机10个小时，就是2～3度电。如果有1亿台计算机，大概每天就要用掉2亿～3亿度电，由于废热浪费的电能大概占到20%，即4000万～6000万度的电能被白白浪费掉了。那么能否将这些废热利用起来，提高能源的利用效率呢？答案是：有！

在过去的几十年里，科学家一直致力于发展一种材料，这种材料可以将热能转化为电能，它被称为热电材料。这种材料的奇特性能来源于它可以将热量一份一份地打包给电能的携带者——电子或空穴载流子。在这种特殊材料中，电子或空穴载流子将热量从高温的一端携带到低温的一端，热量被传递的同时，电子或空穴的定向移动导致材料的两端产生了电压，这种电压就为人们提供了新的能源。

发现热电效应

1821年，德国物理学家塞贝克无意中发现，任何导体（金属）一端被加热，另一端未加热，产生热的梯度时都会产生电压，这种现象被称为塞贝克现象。物理学家利用这一效应来测量物体的温度，这种利用热电性能进行测温的器件被称为热电偶。一般来说热电偶产生的电压很小，目前在医疗上常用的红外线温度计中采用的是便是串联起来的热电偶。

1834年，法国物理学家铂尔帖发现了一个奇特的现象，将两种不同的金属构成闭合回路，在回路中接入直流电，两个接头之间有一定温差，这种效应被称为铂尔贴效应。这种效应是与塞贝克效应相反的，物理学家很快利用这种效应，制成了能够制冷的元器件，称为热电制冷器。

尽管人们很早就发现 了热电效应（塞贝克-铂尔贴效应），但真正对热电材料集中研究是20世纪中叶开始的。为了满足能源转化的需求，必须选择合适的热电材料来实现温差发电或电制冷效应。如同购买电脑时，人们考虑中央处理器（CPU）的频率，内存的大小，硬盘大小等各项指标；在选择热电材料的时候，物理学家给出了几个关键的指标，即材料的电导率、热功率、热导率以及工作温度4个参数，它们组合在一起，形成了一个叫做ZT值的参数。这样全世界的科学家都可以以此为标准评估自己做出来的热电材料。科学家们设置了分阶段的指标，ZT值小于1，大于1，大于2，大于20等。

寻找热电材料的途径一：合成

早期寻找热电材料的主要途径是比较原始的方法，即合成出成千上万种材料，逐个测量其热电性能，获取最佳的配方。

合金型热电材料

1952年，苏联著名物理学家阿布拉姆·约飞研究发现，材料的热导率与组成材料的原子体积有关系，体积越大，热导率越低。约飞建议将半导体材料的合金作为热电材料，可以提高热电效率。合金热电材料并非不锈钢这样传统的金属合金，之所以称为合金，是因为合金热电材料也是由两种不同物质混合而成，也采用传统金属合金的生产工艺；另外一个原因是，这类合金材料是将两种或多种单质元素进行混合，形成了类似混合溶液一样的固熔体。如果把一种物质的原子假设成水泥，另外一种物质的原子假设成沙子，这种合金化的工艺就类似于将水泥和沙子混合，形成混凝土。这种合金化热电材料合成方法工艺简单，热电性能也高，一直傲居传统热电材料的榜首。

复杂结构热电材料

自20世纪80年代起，随着电子显微镜、同步辐射等先进实验技术手段的发展，人们发现了一批特殊结构的热电材料。这些热电材料由于 ZT分值高，得到材料学家、物理学家的青睐。这类材料的发展起源于美国橡树林国家实验室的布莱恩·赛尔斯的设想：制造一种既像晶体一样具有良好导电性能、又像玻璃一样具有较差导热性能的热电材料。在这一思想的指引下，出现了多种具有复杂晶体结构的热电材料。

寻找热电材料的途径二： 改装

目前，还有更新的寻找热电材料的途径，主要是通过结合其他学科已有的方法，将原始的热电材料进行改装，从而获得超高性能的热电材料。

纳米化热电材料

20世纪90年代，纳米材料时代刚刚开启，科学家发现将热电材料制备成纳米颗粒、纳米线、纳米棒，或者做成千层饼一样的超晶格结构，可以将热电材料的ZT分值提高到2以上。美国科学家瓦尔和帕克通过分子束外延手段制备出多层膜结构的硅热电材料，其热导率可以大大降低。有人通过理论方法计算，估计其热电性能分值可以比未经改造的硅要高出70多倍。

除了二维的结构外，科学家还发现，合成出的纳米线、纳米空心管、纳米空心囊结构，也可以大大提高热电材料的ZT分值。比如，我国科学家早在2004年便利用水热合成方法，制备了碲化铋的纳米空心管，其性能可以提高20%之多。

美国哥伦比亚大学的研究人员则采用一种基于量子点的材料，可以只让电子通过而不让光子通过，确保热量不会被光子从热电材料的热端带到冷端，两边可以始终维持较大的电压差，大幅提高热电材料的分值。

复合模块型热电材料

2012年，美国西北大学的研究团队提出了一种层级复合型的热电材料。这种材料的基础是碲化铅，它本身就具有热电转换性质，研究人员又进行了一系列改造：先在其中加入钠原子，提高其导电性，然后加入碲化锶，降低其导热性，还在材料上开了许多缝隙，进一步降低导热性，而使电子仍能移动。这种复合型材料，具备了比纳米结构热电材料更高的ZT分值，达到2.2左右，可以将15%～20%的废热转化为电能。而这种方法很有可能成为主流的材料合成手段，引领热电材料合成新热潮。

目前，许多微米级电机系统也采用了热电材料制成的器件。市场上已经出现了微型温差电池驱动的助听器和手表，甚至还有可以植入人体内的微型热电器件，它可以作为电源用于植入人体内的心脏起搏器。在航空航天领域，美国“好奇”号火星车的动力有一部分就是热电器件提供的。而硅半导体探测器的冷却模块也采用了热电器件，从而降低对液氮的消耗。

在过去的几十年里科学家已经将热电材料的性能提高了一个量级，在未来的若干年里，热电材料的性能还能上一个台阶。届时，利用炼钢厂废热、汽车尾气废热、手机、计算机电子产品的散热发电、节约能源的梦想将会实现。