导读
近日，美国麻省理工学院的物理学家们找出了一条可以显著提升热电势的途径。在相关论文中，他们报告了一种理论方法，通过这种方法建模的材料效率将提升五倍，产生的能量有望变为两倍，这是现今最佳的热电材料。
背景
在环境污染与能源危机日益加剧的背景下，热电材料为我们节约能源带来了新希望。说起热电材料，必须先介绍一种物理现象，也就是“热电效应”。热电效应并不是什么新生事物，约两百多年前，德国科学家 Thomas J. Seebeck 就发现了这种效应。
简单说，它是指在特殊的热电材料中，由于温度差异产生电压的过程。当材料一端较热而另一端较冷时，材料中的电子（空穴）就会随着温度梯度从高温区往低温区移动，从而产生出电流或电荷堆积的现象。
热电材料的用途非常广泛，让我们大胆想象一下未来：热电材料制成的自供电的可穿戴设备，将利用人体热量发电；热电材料制成的烹饪锅可以采集炒菜时产生的废热，为智能手机充电；热电材料还可以采集电动汽车发动机的热量，为电动汽车提供一部分电力；还有，热电材料也可以应用于飞机，利用机舱内外的温差，为飞机提供更多的电力；同样，电厂也可以利用热电材料，回收利用部分的废热用于发电。
（图片来源：Ashutosh Tiwari/犹他大学）
科学家们正在不断研究并改善热电材料，有朝一日这些想象中的方案有望全部变为现实。然而，目前阻碍热电材料大规模应用的关键因素之一就是，热量转化为电力的效率太低。
创新
近日，美国麻省理工学院（MIT）的物理学家们找出了一条可以显著提升热电势的途径。在一篇发表于《科学进展（Science Advances）》杂志的论文中，他们报告了一种理论方法，通过这种方法建模的材料效率将提升五倍，产生的能量有望变为两倍，它是现今最佳的热电材料。
（图片来源：Chelsea Turner/MIT）
论文领导作者是 MIT 电子研究实验室的博士后 Brian Skinner，论文合著者还包括 MIT 物理系副教授 Liang Fu。团队已经为他们的新型热电方案申请了专利，并与普林斯顿大学的研究人员展开合作，对于这一理论进行实验测试。
技术
热电材料将热量转化电力的能力，是基于材料在温差条件下的电子行为。当热电材料一侧受热时，会激发电子，使其离开热的一侧并在冷的一侧聚集。结果，由于电子的聚集，就会产生可测量的电压。
目前开发出的热电材料产生的热电能很微小，部分原因是电子较难被热量激发。在大多数材料中，电子存在于特定的能带或者能量范围。每个能带被空隙隔开，所谓的空隙就是一种小的能量范围，在这个范围中，电子无法存在。一直以来，赋予电子足够大的能量，使其跨过能带并穿越材料，都是非常具有挑战性的。
Skinner 和 Fu 决定研究“拓扑半金属”类型材料的热电势。相比大部分的其他固体材料，例如半导体和绝缘体，拓扑半金属的独特之处在于它具有零带隙。在这种能量结构下，电子在加热后很容易跳跃到更高的能级。
科学家们认为，这种在实验室中大量合成的较新型的材料：拓扑半金属，将不会产生大量热电能。当材料的一侧受热时，电子被激发，然后在另外一端积聚。但是，随着这些带负电的电子跳跃到更高的能级，它们会留下所谓的“空穴”，这种带正电荷的粒子也会在材料冷的一侧积聚，抵消掉电子产生的效果，最终产生的电能非常少。
然而，在一项看似没有关联的研究中，Skinner 注意到，强磁场作用下的半导体会出现一种奇妙的现象：磁场会影响电子的移动，让它们的轨迹变弯。然而，Skinner 和 Fu 想知道：磁场会对拓扑半金属产生什么影响？
参考文献后，他们发现普林斯顿大学的团队于2013年尝试完全表征一种称为“硒化锡铅”（ lead tin selenide）拓扑材料，并测量了它的热电特性。在他们对于这种材料众多观察中，在35特斯拉的强磁场作用下（作为对比，大部分的磁共振成像机器的工作磁场强度是2特斯拉到3特斯拉），热电发电量会增加。
Skinner 和 Fu 采用普林斯顿大学研究的这种材料的特性，在一系列温度和磁场条件下，对材料的热电性能进行理论建模。
Skinner 表示：“我们最终指出，在非常强的磁场作用下，产生了一种有趣的现象，在那里你可以让电子和空穴朝着相反方向移动。电子朝着冷的一侧，而空穴朝着热的一侧。它们在一起工作，原则上，你只要使磁场更强，就会让同样的材料产生越来越大的电压。”
在他们的理论模型中，研究小组计算了硒化锡铅的优值系数（ZT），这个数值表示材料离通过热能产生电能的理论极限有多近。迄今为止，所报道的大部分材料的ZT都在2左右。Skinner 和 Fu 发现，在大约30特斯拉的强磁场作用下， 硒化锡铅的ZT可以达到10左右，效率是之前性能最佳的热电材料的五倍。
他们计算得出，如果在30特斯拉的磁场作用下，将ZT等于10的材料从室温加热至500开尔文，会将18%的热量转化为电力；相比于ZT等于2的材料，只能将8%的热量转化电力。
小组承认，为了达到如此高的效率，必须在非常强的磁场下加热现有的拓扑半金属，而世界上只有屈指可数的几个设施能产生出这种强磁场。对于这些材料在电厂或者汽车中的实际应用来说，它们需要工作在1特斯拉到2特斯拉的磁场强度范围内。
Fu 称，如果拓扑半金属极度纯净，这应该是可行的。也就是说，如果材料中存在很少的杂质，就会阻挡电子流动。
Fu 说：“制造出非常纯净的材料极具挑战性，但是人们已经为这些材料的高品质生长付出了许多努力。”
他补充道，他们集中研究的材料硒化锡铅，并不是科学家能合成出的最纯净的拓扑半金属。换句话说，其他更纯净的材料将能在更小的磁场下，产生同样多的热电能。
Fu 表示：“我们认为这种材料是一种好的热电材料，但是还应该有更好的。一种方案就是采用我们现有的最佳拓扑半金属，施加3特斯拉的磁场。这样可能无法将效率提升一半，但也许是20%到50%，这已经是很大的进步。”
价值
这项研究将为热电材料的深入研究以及大规模应用奠定了基础，让我们能够更加有效地将废热转化电能，这样做不仅节能环保，而且应用范围非常广泛。
关键字
温差发电、材料、磁场、热量
【1】http://news.mit.edu/2018/materials-heated-magnetic-fields-thermoelectrics-0525#press-inquiry-section
【2】Brian Skinner, Liang Fu. Large, nonsaturating thermopower in a quantizing magnetic field. Science Advances, 2018; 4 (5): eaat2621 DOI: 10.1126/sciadv.aat2621
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