熱電轉換的一個很酷的進步

全世界使用的能源中有三分之二以上最終以“廢熱”的形式排出。麻省理工學院核科學與工程系(NSE)的科學家聲稱，在那堆被浪費的能量中，蘊藏著巨大且尚未開發的機會。根據最近一期《自然通訊》的報道，由NSE量子物質小組負責人李明達助理教授領導的MIT小組已經在熱電發電領域取得了突破，該技術提供了一種直接方法來轉換包括廢熱在內的熱能，變成電力。

甲溫度梯度，或差，內的諸如金屬或半導體材料可以通過被稱為塞貝克效應的現象，產生一個電壓，其驅動電流。NSE研究科學家Fei Han解釋說：“對于許多材料而言，熱電效應太低而無法使用。” “我們的目標是找到轉換效率足夠高的材料，以使熱電發電更加實用。”

熱電能量轉換效率是正比于材料的溫度，電傳導性，和一種叫做“熱電動勢”的平方; 它與熱導率成反比。由于效率隨溫度上升，因此當今使用的大多數熱電材料的工作溫度范圍為攝氏數百度。“但是在我們的生活中，我們周圍的大多數事物都是在室溫下進行的，” Han說。“這就是為什么我們試圖發現在室溫或低于室溫下有效工作的新材料的原因。”

Li指出，在轉換效率方面，“盡管效率與熱電的平方成正比，但大多數注意力都集中在增加電導率和降低熱導率上，而不是專注于熱電。” 熱能也稱為塞貝克系數，定義為電壓除以材料上的溫度差。李說：“當火電上升時，電導率下降，這可能會導致棘手的平衡。” 但是他的小組表明，一種新的機制可以同時優化電導率和熱功率，從而有助于提高效率。

李的實驗研究受到麻省理工學院物理學副教授梁復，他的前博士后布萊恩·斯金納和前博士學位所發表的理論論文的指導。學生Vladsyslav Kozii，他們全都為《自然通訊》論文做出了貢獻。在早期的工作中，傅和他的同事認為，強磁場會增強所謂的拓撲Weyl半金屬的熱電效應。

這種材料具有金屬和半導體的特性，但也具有特殊的功能。拓撲Weyl半金屬具有奇異點，例如在頭皮頂部發現的發螺紋(或牛鞭)，這些奇異的點賦予其不尋常的電子特性。其他特性來自晶體結構本身的對稱性。傅和他的同事們預測的熱電收益將來自新穎的“熱電量子霍爾效應”。

NSE博士解釋說：“當磁場足夠高時，會引起這種效應。” 學生Nina Andrejevic，“熱電霍爾電導率已接近通用值，即使磁場發生變化，此后霍爾電導率的值也不會改變。” 她補充說，這種感應出的熱電霍爾電導率將“是熱電的主要貢獻者，也是總功率因數的主要貢獻者”。

Li和他的團隊準備了一種拓撲Weyl半金屬磷化鉭(TaP)的樣品，這些樣品具有微調的特性，以檢驗Fu的假設。NSE研究生Thanh Nguyen評論說，合成這些TaP晶體是一項艱巨的任務，“涉及一些反復試驗，因為它是一種新材料(僅自2015年以來才知道)，因此配方尚未完全優化。您可以自行修改鉭和磷的相對含量，并調節烤箱溫度，以及“烘烤”成分的時間，以達到所需的載流子密度水平;晶體尺寸也必須足夠大以便于高精度測量。” 在該過程結束時，他們將生成的TaP晶體(切成細條)加熱了一端，然后，

這項研究得出了幾個重要但相關的結果：麻省理工學院的研究人員是第一個證明在Weyl半金屬中確實可以引起熱電量子霍爾效應的研究。此外，由于這種效果，他們獲得了很高的熱電價值。此外，他們的TaP晶體實現了創紀錄的高“功率因數”(電導率和熱功率平方的乘積)，這是熱電轉換效率的關鍵組成部分。