科學家發明有效地將廢熱轉化為電能的新方法

來自 NIST 和科羅拉多大學博爾德分校的團隊開發了一種利用硅上氮化鎵納米柱的新型設備，可顯著提高熱能轉化為電能的效率。 這可能會回收大量浪費的熱能，從而使工業和電網受益。

美國國家標準與技術研究院 (NIST) 的研究人員制造了一種新型設備，可以顯著促進熱能轉化為電能。 如果完善，該技術可以幫助回收在美國以每年約 1000 億美元的速度浪費的部分熱能。

由 NIST 研究員 Kris Bertness 和她的合作者開發的新制造技術包括在硅晶片上沉積數十萬個微小的氮化鎵柱。 然后從晶圓底面去除硅層，直到只剩下一層薄薄的材料。 柱子和硅片之間的相互作用減緩了硅中的熱量傳輸，使更多的熱量能夠轉化為電流。 Bertness 和她在科羅拉多大學博爾德分校的合作者最近在 Advanced Materials 雜志上報告了這一發現。

制造方法完善后，硅片就可以纏繞在蒸汽管或排氣管上，將熱排放轉化為電能，為附近的設備供電或輸送到電網。 另一個潛在的應用是冷卻計算機芯片。

通過在硅膜上生長納米柱，NIST 的科學家和他們的同事在不降低電導率的情況下將熱傳導減少了 21%，這一結果可以顯著促進熱能向電能的轉化。 在固體中，熱能由聲子攜帶，聲子是晶格中原子的周期性振動。 膜中聲子的某些振動與納米柱中的聲子產生共振，從而減緩熱傳遞。 至關重要的是，納米柱不會減慢電子的運動速度，因此導電率仍然很高，從而創造出一種優質的熱電材料。 圖片來源：S. Kelley/NIST

NIST-科羅拉多大學的研究基于德國物理學家 Thomas Seebeck 最先發現的一個奇怪現象。 在 1820 年代初期，塞貝克正在研究兩根金屬絲，每根金屬絲由不同的材料制成，兩端連接在一起形成一個環。 他觀察到，當連接電線的兩個連接點保持不同溫度時，附近的羅盤針會偏轉。 其他科學家很快意識到偏轉的發生是因為溫差在兩個區域之間感應出電壓，導致電流從較熱的區域流向較冷的區域。 電流產生了使羅盤針偏轉的磁場。

從理論上講，所謂的塞貝克效應可能是回收否則會損失的熱能的理想方式。 但是有一個主要障礙。 一種材料必須導熱性差，以保持兩個區域之間的溫差，同時又必須非常好地導電，以將熱量轉化為大量電能。 然而，對于大多數物質來說，導熱性和導電性是齊頭并進的； 不良的熱導體會導致不良的電導體，反之亦然。

在研究熱電轉換的物理過程中，科羅拉多大學的理論家馬哈茂德侯賽因發現，這些特性可以在覆蓋有納米柱的薄膜中解耦——立柱的材料長度不超過百萬分之幾米，或大約一米 - 人類頭發厚度的十分之一。 他的發現促成了與 Bertness 的合作。

Bertness、Hussein 和他們的同事使用納米柱成功地將硅片中的熱導率與電導率解耦——這在任何材料中都是首次，也是實現熱能高效轉換為電能的里程碑。 研究人員在不降低其電導率或改變塞貝克效應的情況下，將硅片的熱導率降低了 21%。

在硅和其他固體中，原子受到化學鍵的約束，不能自由移動以傳遞熱量。 因此，熱能的傳輸采用聲子的形式——移動原子的集體振動。 氮化鎵納米柱和硅片都攜帶聲子，但納米柱內的聲子是駐波，被微小柱的壁固定，就像振動的吉他弦在兩端固定一樣。

在硅片中傳播的聲子與納米柱中的振動之間的相互作用會減慢傳播的聲子，使熱量更難通過材料。 這降低了熱導率，從而增加了從一端到另一端的溫差。 同樣重要的是，聲子相互作用適應完成這一壯舉，同時保持硅片的導電能力不變。

該團隊現在正在研究完全由硅制成的結構，并具有更好的熱電熱回收幾何形狀。 研究人員希望展示足夠高的熱電轉換率，使他們的技術在工業上具有經濟可行性。