化热为电
如果你能在常规的电力，而不是在炎热的夏天，太阳热运行你的空调？随着热电技术的进步，这种可持续的解决方案有朝一日可能成为现实。
热电装置是由可转换温差电材料，而不需要任何移动部件的质量，使热电材料具有潜在吸引力的电力来源。这种现象是可逆的：如果电被应用到热电装置上，它会产生温差。今天，热电装置，用于较低功耗的应用，如供电的小型传感器在石油管道、备份电池的空间探测器，和冷却minifridges。
但是科学家们希望能设计出更强大的热电装置，以获取工业过程和内燃机的副产品热量，并将废热转化为电能。然而，热电器件的效率，或它们能够产生的能量量，目前是有限的。
现在，麻省理工学院的研究人员发现了一种方法，即利用具有独特电子性质的“拓扑”材料来提高效率。虽然过去的研究已经表明，拓扑材料可以作为有效的热电系统，但对于这种拓扑材料中的电子如何响应温差来产生热电效应却知之甚少。
在本周《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员发现，与现有设备相比，某些拓扑材料具有潜在的更有效的热电材料的潜在特性。
“我们发现我们可以以一种使拓扑材料良好的热电材料，使这一纳米材料的界限，所以比传统的半导体，如硅，”特欢柳说，在麻省理工学院的机械工程系博士后。“最后，这可能是一种清洁能源的方式，帮助我们利用热源发电，这将减少我们的二氧化碳释放。”
刘是这篇论文的第一作者，包括研究生贾伟舟，支伟丁，齐晨松；明大黎，在核科学与工程系副教授；以前的研究生薄琳寥，现在是加州大学圣芭芭拉分校的助理教授；梁付，物理比登哈恩副教授；陈刚教授的自焙的机械工程系系主任。
一条可以自由通行的小路
例如，当热电材料暴露在温度梯度时，一端被加热，另一端被冷却，这种材料中的电子开始从热端流向冷端，产生电流。温差越大，产生的电流越大，产生的功率就越多。能产生的能量取决于给定材料中电子的特殊输运性质。
科学家们观察到，一些拓扑材料可以通过纳米结构制成高效热电设备，技术，科学家利用图形特征的纳米尺度材料的合成。科学家们认为，拓扑材料的热电优势来自于纳米结构的热导率降低。但目前还不清楚这种效率的提高是如何与材料固有的拓扑性质联系起来的。
为了回答这个问题，刘和他的同事们研究了碲化锡的热电性能，碲化物是一种很好的热电材料。在碲化锡的电子也表现出特殊的性质，模拟一类拓扑被称为狄拉克的材料。
团队了解碲锡纳米结构的热电性能的影响，通过模拟方式的电子穿过材料。为了描述电子输运，科学家们经常使用一种叫做“平均自由程”的测量方法，或者一个给定能量的电子平均距离在物质中的各种物体或缺陷分散之前自由地在一个物质内传播。
纳米结构材料类似于细小的晶体，每一个都有边界，称为晶界，将一个晶体与另一个晶体分开。当电子遇到这些边界时，它们往往以各种方式散布。用长的平均自由路径的电子散射强烈，像子弹弹开一堵墙，而较短的平均自由路径的影响较小的电子。
在他们的模拟中，研究人员发现碲化锡的电子特性对它们的平均自由路径有显著的影响。他们绘制了锡碲化物的电子能量范围与相关的平均自由路径，并发现所得的图形看起来比大多数传统半导体非常不同。具体而言，对于碲化锡和其他可能的拓扑材料，结果表明高能电子具有更短的平均自由程，而低能电子通常具有较长的平均自由程。
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然后，研究小组从本质上总结了不同能量和平均自由电子的热电贡献，这些电子性质是如何影响碲化锡热电性能的。结果表明，在温度梯度下，材料传导电流或产生电子流的能力在很大程度上依赖于电子能量。
具体地说，他们发现低能量电子倾向于对电压差的产生产生负面影响，因此电流。这些低能电子也有较长的平均自由程，这意味着它们比高能电子更能被晶界散射。
定下来
在他们的模拟中更进一步，研究小组研究了碲化镉的单个颗粒的大小，看看这是否对电子在温度梯度下的流动有任何影响。他们发现，当平均粒径减小到约10纳米时，它的边界更紧密地结合在一起，他们观察到高能电子增加了贡献。
也就是说，随着晶粒尺寸的减小，较高的能量电子比低能量的电子对物质的导电性贡献要大得多，因为它们具有更短的平均自由路径，并且不太可能散射到晶界上。这会产生较大的电压差。
更重要的是，研究人员发现，减少碲化锡的平均晶粒尺寸约10纳米产生的三倍的电力材料将产生较大的粮食。
刘说，虽然结果是模拟的基础上，研究人员可以通过合成碲锡与其它拓扑材料实现类似的性能，并调整其晶粒尺寸的纳米结构的技术应用。其他研究人员认为，缩小材料的晶粒尺寸可能会增加其热电性能，但刘说，他们大多认为，理想的大小将大大超过10纳米。
“在我们的模拟中，我们发现我们可以缩小拓扑材料的晶粒尺寸比我们想象的要多，基于这个概念，我们可以提高它的效率，”刘说。
碲化锡只是许多有待探索的拓扑材料的一个例子。如果研究人员能够确定每种材料的理想晶粒尺寸，刘说，拓扑材料很快将成为一种可行的，更有效的替代清洁能源的替代品。
刘说：“我认为拓扑材料对热电材料很好，我们的结果表明这是一个非常有前途的材料，未来的应用。”。
美国能源部能源前沿研究中心和国防高级研究计划局（DARPA）的一部分支持了这项研究。
如果你能在常规的电力，而不是在炎热的夏天，太阳热运行你的空调？随着热电技术的进步，这种可持续的解决方案有朝一日可能成为现实。
热电装置是由可转换温差电材料，而不需要任何移动部件的质量，使热电材料具有潜在吸引力的电力来源。这种现象是可逆的：如果电被应用到热电装置上，它会产生温差。今天，热电装置，用于较低功耗的应用，如供电的小型传感器在石油管道、备份电池的空间探测器，和冷却minifridges。
但是科学家们希望能设计出更强大的热电装置，以获取工业过程和内燃机的副产品热量，并将废热转化为电能。然而，热电器件的效率，或它们能够产生的能量量，目前是有限的。
现在，麻省理工学院的研究人员发现了一种方法，即利用具有独特电子性质的“拓扑”材料来提高效率。虽然过去的研究已经表明，拓扑材料可以作为有效的热电系统，但对于这种拓扑材料中的电子如何响应温差来产生热电效应却知之甚少。
在本周《美国国家科学院院刊》上发表的一篇论文中，麻省理工学院的研究人员发现，与现有设备相比，某些拓扑材料具有潜在的更有效的热电材料的潜在特性。
“我们发现我们可以以一种使拓扑材料良好的热电材料，使这一纳米材料的界限，所以比传统的半导体，如硅，”特欢柳说，在麻省理工学院的机械工程系博士后。“最后，这可能是一种清洁能源的方式，帮助我们利用热源发电，这将减少我们的二氧化碳释放。”
刘是这篇论文的第一作者，包括研究生贾伟舟，支伟丁，齐晨松；明大黎，在核科学与工程系副教授；以前的研究生薄琳寥，现在是加州大学圣芭芭拉分校的助理教授；梁付，物理比登哈恩副教授；陈刚教授的自焙的机械工程系系主任。