科学家发明有效地将废热转化为电能的新方法

来自 NIST 和科罗拉多大学博尔德分校的团队开发了一种利用硅上氮化镓纳米柱的新型设备，可显着提高热能转化为电能的效率。 这可能会回收大量浪费的热能，从而使工业和电网受益。

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员制造了一种新型设备，可以显着促进热能转化为电能。 如果完善，该技术可以帮助回收在美国以每年约 1000 亿美元的速度浪费的部分热能。

由 NIST 研究员 Kris Bertness 和她的合作者开发的新制造技术包括在硅晶片上沉积数十万个微小的氮化镓柱。 然后从晶圆底面去除硅层，直到只剩下一层薄薄的材料。 柱子和硅片之间的相互作用减缓了硅中的热量传输，使更多的热量能够转化为电流。 Bertness 和她在科罗拉多大学博尔德分校的合作者最近在 Advanced Materials 杂志上报告了这一发现。

制造方法完善后，硅片就可以缠绕在蒸汽管或排气管上，将热排放转化为电能，为附近的设备供电或输送到电网。 另一个潜在的应用是冷却计算机芯片。

通过在硅膜上生长纳米柱，NIST 的科学家和他们的同事在不降低电导率的情况下将热传导减少了 21%，这一结果可以显着促进热能向电能的转化。 在固体中，热能由声子携带，声子是晶格中原子的周期性振动。 膜中声子的某些振动与纳米柱中的声子产生共振，从而减缓热传递。 至关重要的是，纳米柱不会减慢电子的运动速度，因此导电率仍然很高，从而创造出一种优质的热电材料。 图片来源：S. Kelley/NIST

NIST-科罗拉多大学的研究基于德国物理学家 Thomas Seebeck 最先发现的一个奇怪现象。 在 1820 年代初期，塞贝克正在研究两根金属丝，每根金属丝由不同的材料制成，两端连接在一起形成一个环。 他观察到，当连接电线的两个连接点保持不同温度时，附近的罗盘针会偏转。 其他科学家很快意识到偏转的发生是因为温差在两个区域之间感应出电压，导致电流从较热的区域流向较冷的区域。 电流产生了使罗盘针偏转的磁场。

从理论上讲，所谓的塞贝克效应可能是回收否则会损失的热能的理想方式。 但是有一个主要障碍。 一种材料必须导热性差，以保持两个区域之间的温差，同时又必须非常好地导电，以将热量转化为大量电能。 然而，对于大多数物质来说，导热性和导电性是齐头并进的； 不良的热导体会导致不良的电导体，反之亦然。

在研究热电转换的物理过程中，科罗拉多大学的理论家马哈茂德侯赛因发现，这些特性可以在覆盖有纳米柱的薄膜中解耦——立柱的材料长度不超过百万分之几米，或大约一米 - 人类头发厚度的十分之一。 他的发现促成了与 Bertness 的合作。

Bertness、Hussein 和他们的同事使用纳米柱成功地将硅片中的热导率与电导率解耦——这在任何材料中都是首次，也是实现热能高效转换为电能的里程碑。 研究人员在不降低其电导率或改变塞贝克效应的情况下，将硅片的热导率降低了 21%。

在硅和其他固体中，原子受到化学键的约束，不能自由移动以传递热量。 因此，热能的传输采用声子的形式——移动原子的集体振动。 氮化镓纳米柱和硅片都携带声子，但纳米柱内的声子是驻波，被微小柱的壁固定，就像振动的吉他弦在两端固定一样。

在硅片中传播的声子与纳米柱中的振动之间的相互作用会减慢传播的声子，使热量更难通过材料。 这降低了热导率，从而增加了从一端到另一端的温差。 同样重要的是，声子相互作用适应完成这一壮举，同时保持硅片的导电能力不变。

该团队现在正在研究完全由硅制成的结构，并具有更好的热电热回收几何形状。 研究人员希望展示足够高的热电转换率，使他们的技术在工业上具有经济可行性。