开启热电技术的未来 - 科学家发现拥有超大塞贝克系数的材料

维也纳工业大学的研究人员发现，镍金合金是一种出色的热电材料，在将热量转化为电能方面具有无与伦比的效率。这一发现挑战了人们对热电金属的传统看法，为其在各种技术中的应用开辟了新的可能性。镍金合金热电效应示意图。资料来源：Fabian Garmroudi

利用热电发电并不是什么新鲜事。自 20 世纪中叶以来，它们一直被用于太空探索中产生电能，但热电也被用于日常应用，如便携式冰箱。此外，它们还可用于工业环境，将废热转化为绿色电力，这只是其中一种潜在的应用。

热电效应基于带电粒子的运动，这些粒子从材料较热的一面迁移到较冷的一面。这就产生了一个电压，即所谓的热电电压，它抵消了电荷载流子的热激发运动。

塞贝克系数以德国物理学家托马斯-约翰-塞贝克（Thomas Johann Seebeck）的名字命名，是衡量材料热电性能的重要参数。这里的重要条件是正负电荷之间不平衡，因为它们会相互补偿。

Michael Parzer、Fabian Garmroudi 和 Andrej Pustogow（左起），背景是显示所有固体元素电子结构的周期表。图片来源：维也纳工业大学

该研究的第一作者 Fabian Garmroudi 解释说："虽然塞贝克早在 200 多年前就发现了普通金属的热电效应，但如今金属几乎不被视为热电材料，因为它们的塞贝克系数通常很低。一方面，铜、银或金等金属具有极高的导电性；另一方面，在大多数情况下，它们的塞贝克系数非常小。"

性能卓越的镍金合金

现在，维也纳工业大学固体物理研究所的物理学家们成功地找到了具有高导电性和超大塞贝克系数的金属合金。磁性金属镍与贵金属金混合后，其电子特性发生了根本变化。

当加入约 10% 的镍后，金的淡黄色立即消失，热电性能迅速提高。塞贝克效应增强的物理根源在于电子随能量变化的散射行为，这种效应与半导体热电效应有着本质区别。

描述所有固体元素电子结构的元素周期表。资料来源：Fabian Garmroudi、Michael Parzer、Andrej Pustogow

由于镍原子的特殊电子特性，正电荷的散射比负电荷更强，从而产生了所需的不平衡，并因此产生了很高的热电电压。

"想象一下两位选手之间的赛跑，其中一人在自由跑道上奔跑，而另一人则必须通过重重障碍。当然，在自由跑道上的那个人比对手跑得更快，而对手则不得不放慢速度，更频繁地改变方向。"该研究的资深作者安德烈-普斯托戈夫（Andrej Pustogow）这样比较金属热电中的电子流。在本文研究的合金中，正电荷被镍电子强烈分散，而负电荷几乎不受干扰地移动。

镍金合金具有极高的导电性，同时又具有很高的塞贝克系数，因此其热电功率因数值创下了历史新高，远远超过了传统半导体的热电功率因数值。

Fabian Garmroudi 解释说："在相同的几何形状和固定的温度梯度下，产生的电能比任何其他已知材料都要高出许多倍。此外，高功率密度可能会在未来大规模应用于日常领域。以目前的性能为例，智能手表已经可以利用佩戴者的体温自动充电。"

镍金合金仅仅是个开始

"尽管黄金是一种昂贵的元素，但我们的工作代表了一种概念验证。我们能够证明，不仅半导体，金属也能表现出良好的热电特性，从而使其适用于各种应用。"该研究的主要作者之一 Michael Parzer 解释说："与半导体相比，金属合金具有各种优势，尤其是在热电发电机的制造过程中。"

研究人员能够通过实验证明镍金合金是非常好的热电材料并非偶然。Michael Parzer 说："甚至在开始实验工作之前，我们就通过理论模型计算出了哪种合金最合适。目前，该研究小组还在研究不需要昂贵的金元素的其他有前途的候选材料。"